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Three-dimensional Electron Diffraction for Crystal Structure Solution of Complex Natural Silicates

Buchsteiner, Emilia (2024)
Three-dimensional Electron Diffraction for Crystal Structure Solution of Complex Natural Silicates.
Technische Universität Darmstadt
doi: 10.26083/tuprints-00028913
Ph.D. Thesis, Primary publication, Publisher's Version

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Item Type: Ph.D. Thesis
Type of entry: Primary publication
Title: Three-dimensional Electron Diffraction for Crystal Structure Solution of Complex Natural Silicates
Language: English
Referees: Kolb, Prof. Dr. Ute ; Schüth, Prof. Dr. Christoph
Date: 18 December 2024
Place of Publication: Darmstadt
Collation: 251 Seiten
Date of oral examination: 15 October 2024
DOI: 10.26083/tuprints-00028913
Abstract:

The characterization and hence the understanding of complex silicates pose a significant challenge due to their intricate structures and diverse chemical compositions. Conventional crystallographic techniques often fall short in providing comprehensive and accurate crystal structure information for these structures. However, recent advances in electron diffraction techniques offer promising avenues for overcoming these limitations. This thesis explores the application of three-dimensional electron diffraction (3D ED) as a powerful tool for solving the crystal structures of complex natural silicates. Three minerals were chosen for their exceptional and challenging structural characteristics, which have previously complicated or even hindered successful structure determination through conventional methods such as X-ray powder diffraction (XRPD). In the first part of the study, a structure solution on a single crystal of illite is demonstrated, where prior attempts using XRPD failed due to inherent limitations in dealing with its impurity and disorder. Additionally, a new form of disorder is identified and characterized, providing valuable insights into fluid-dependent structure alterations and rendering a new model for XRPD data refinement. With labradorite, the research showcases 3D ED's ability to handle materials with incommensurate modulations and low symmetry, offering a possibility for direct comparison of data taken from different length scales. Moreover, a complete hierarchical structure description is provided. Finally, the structure of one of the most intricate minerals known, eveslogite, is solved despite its twinning on a nanoscale demonstrating the advantage of an accessibility to single crystalline nano domains. Throughout this thesis, the advantages of 3D ED as a promising alternative to traditional methods are highlighted, especially in dealing with complex silicate minerals. The successes achieved in unraveling the atomic structures of illite, labradorite and eveslogite, which constitutes the largest mineral structure ever solved by 3D ED methods, demonstrate the power and versatility of 3D ED as a cutting-edge technique for structure analysis in the realm of mineralogical research. These findings pave the way for further advancements and open new avenues in the field of crystallography.

Alternative Abstract:
Alternative AbstractLanguage

Die Charakterisierung und das Verständnis komplexer Silikatminerale stellen aufgrund ihrer komplizierten Strukturen und vielfaltigen chemischen Zusammensetzungen eine große Herausforderung dar. Für eine genaue und umfassende Beschreibung dieser Kristallstrukturen, erweisen sich herkömmliche kristallographische Techniken oft als unzureichend. Aktuelle Fortschritte in den Elektronenbeugungstechniken bieten jedoch vielversprechende Möglichkeiten, um diese Einschränkungen zu überwinden. Diese Dissertation zeigt die Anwendung der dreidimensionalen Elektronenbeugung (3D ED) als leistungsfähiges Werkzeug zur Lösung der Kristallstrukturen komplexer natürlicher Silikate. Aufgrund ihrer außergewöhnlichen und herausfordernden strukturellen Eigenschaften wurden drei Minerale ausgewählt, bei denen zuvor eine erfolgreiche Strukturbestimmung durch konventionelle Methoden wie die Röntgenpulverdiffraktometrie (XRPD) stark verkompliziert oder nicht möglich war. Im ersten Teil der Studie wird eine Strukturlosung an einem Illit Einkristall demonstriert, bei welchem bisherige Versuche mittels XRPD aufgrund großer Einschränkungen durch Verunreinigungen und Unordnungsphänomenen gescheitert waren. Zusätzlich wird eine neue Form der Unordnung im Illit identifiziert und charakterisiert, was wertvolle Einblicke in Fluid­ abhängige Alterationen der Struktur liefert und ein neues Modell für XRPD Verfeinerungen erbringt. Anhand von Labradorit wird gezeigt, dass 3D ED Materialien mit inkommensurablen Modulationen und niedrigen Symmetrien bewältigen kann und eine Möglichkeit zum Vergleich von Daten aus verschiedenen Größenskalen bietet. Darüber hinaus wird eine vollständige hierarchische Strukturbeschreibung präsentiert. Abschließend wird die Struktur eines der komplexesten bekannten Minerale, Eveslogit, trotz starker Verzwilligung auf der Nanoskala analysiert, was den Vorteil von auflösbaren einkristallinen Nanodomänen zeigt. Im Verlauf dieser Dissertation werden die Vorteile von 3D ED als vielversprechende Alternative zu herkömmlichen Methoden hervorgehoben, insbesondere im Umgang mit komplexen Silikatmineralen. Die erzielten Erfolge bei der Aufklarung der Kristallstrukturen von Illit, Labradorit und Eveslogit, welches die größte je mit 3D ED geloste Mineralstruktur darstellt, demonstrieren die Vielseitigkeit von 3D ED als innovative Technik für die Strukturanalyse im Bereich der mineralogischen Forschung. Diese Erkenntnisse ebnen den Weg für weitere Fortschritte und eröffnen neue Möglichkeiten auf dem Gebiet der Kristallographie.

German
Status: Publisher's Version
URN: urn:nbn:de:tuda-tuprints-289132
Classification DDC: 500 Science and mathematics > 550 Earth sciences and geology
Divisions: 11 Department of Materials and Earth Sciences > Earth Science
11 Department of Materials and Earth Sciences > Earth Science > Geo-Material-Science
TU-Projects: PTJ|0324244A|ReSalt
Date Deposited: 18 Dec 2024 13:18
Last Modified: 19 Dec 2024 08:55
URI: https://tuprints.ulb.tu-darmstadt.de/id/eprint/28913
PPN: 52471617X
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