Кристаллография - это экспериментальная наука об определении расположения атомов в кристаллических твердых телах (см. Кристаллическую структуру ). Слово «кристаллография» происходят от греческого слова crystallon «холодная капля, замороженные капель», с его значением распространяется на все твердые вещества с некоторой степенью прозрачности и graphein «писать». В июле 2012 года Организация Объединенных Наций признала важность науки кристаллографии, провозгласив, что 2014 год будет Международным годом кристаллографии. [1]
До развития кристаллографии дифракции рентгеновских лучей (см. Ниже) исследование кристаллов основывалось на физических измерениях их геометрии с помощью гониометра . [2] Это включало измерение углов граней кристаллов относительно друг друга и относительно теоретических опорных осей (кристаллографические оси), а также установление симметрии рассматриваемого кристалла. Положение каждой грани кристалла в трехмерном пространстве наносится на стереографическую сетку, такую как сеть Вульфа или сеть Ламберта . Полюса каждой грани наносится на сетку. Каждая точка помечена своим индексом Миллера . Окончательный график позволяет установить симметрию кристалла.
Кристаллографические методы теперь зависят от анализа дифракционных картин образца, нацеленного на пучок того или иного типа. Чаще всего используются рентгеновские лучи ; другие используемые пучки включают электроны или нейтроны . Кристаллографы часто явно указать тип луча , используемый, как и в терминах рентгеновской кристаллографии , нейтронная дифракция и дифракции электронов . Эти три типа излучения по-разному взаимодействуют с образцом.
- Рентгеновские лучи взаимодействуют с пространственным распределением электронов в образце.
- Электроны являются заряженными частицами и поэтому взаимодействуют с общим распределением заряда как ядер атомов, так и электронов образца.
- Нейтроны рассеиваются атомными ядрами за счет сильных ядерных сил , но, кроме того, магнитный момент нейтронов отличен от нуля. Следовательно, они также рассеиваются магнитными полями . Когда нейтроны рассеиваются водородсодержащими материалами, они создают дифракционные картины с высоким уровнем шума. Однако иногда материал можно обработать, чтобы заменить водород дейтерием .
Из-за этих различных форм взаимодействия три типа излучения подходят для различных кристаллографических исследований.
Теория [ править ]
| Физика конденсированного состояния |
|---|
 |
| Фазы · Фазовый переход · QCP |
При использовании традиционных методов визуализации, таких как оптическая микроскопия , получение изображения небольшого объекта требует сбора света с помощью увеличительной линзы . Разрешение любой оптической системы ограничено дифракционным пределом света, который зависит от его длины волны. Таким образом, общая четкость получаемых кристаллографических карт электронной плотности сильно зависит от разрешения дифракционных данных, которые можно разделить на следующие категории: низкое, среднее, высокое и атомарное. [3] Например, видимый свет имеет длину волны от 4000 до 7000 Ангстрем , что на три порядка больше, чем длина типичных атомных связей и атомов.сами (примерно от 1 до 2 Å). Следовательно, обычный оптический микроскоп не может разрешить пространственное расположение атомов в кристалле. Для этого нам понадобится излучение с гораздо более короткими длинами волн, такое как рентгеновские лучи или нейтронные лучи.
К сожалению, фокусировка рентгеновских лучей с помощью обычных оптических линз может быть проблемой. Ученые добились определенных успехов в фокусировке рентгеновских лучей с помощью микроскопических зонных пластинок Френеля, сделанных из золота, и путем отражения под критическим углом внутри длинных сужающихся капилляров. [4] Дифрагированные рентгеновские или нейтронные пучки нельзя сфокусировать для получения изображений, поэтому структура образца должна быть восстановлена по дифракционной картине.
Дифракционные картины возникают в результате конструктивной интерференции падающего излучения (рентгеновские лучи, электроны, нейтроны), рассеянного периодическими повторяющимися элементами образца. Из-за своей высокоупорядоченной и повторяющейся атомной структуры ( решетки Браве ) кристаллы дифрагируют рентгеновские лучи когерентным образом, также называемым отражением Брэгга.
Обозначение [ править ]
- Координаты в квадратных скобках, например [100], обозначают вектор направления (в реальном пространстве).
- Координаты в угловых скобках или шевронах, например <100>, обозначают семейство направлений, которые связаны операциями симметрии. Например, в кубической кристаллической системе <100> будет означать [100], [010], [001] или отрицательное значение любого из этих направлений.
- Индексы Миллера в скобках, такие как (100), обозначают плоскость кристаллической структуры и регулярные повторения этой плоскости с определенным интервалом. В кубической системе нормаль к плоскости (hkl) - это направление [hkl], но в случаях с более низкой симметрией нормаль к (hkl) не параллельна [hkl].
- Индексы в фигурных скобках или скобки , такие как {100} обозначает семейство плоскостей и их нормалей. В кубических материалах симметрия делает их эквивалентными, так же как угловые скобки обозначают семейство направлений. В некубических материалах <hkl> не обязательно перпендикулярно {hkl}.
Методы [ править ]
Некоторые материалы, которые были проанализированы кристаллографически, например белки , не встречаются в природе в виде кристаллов. Обычно такие молекулы помещают в раствор и дают возможность медленно кристаллизоваться за счет диффузии пара . Капля раствора, содержащего молекулу, буфер и осадители, запаивается в емкость с резервуаром, содержащим гигроскопичный раствор. Вода в капле диффундирует в резервуар, медленно увеличивая концентрацию и позволяя кристаллу сформироваться. Если бы концентрация повысилась быстрее, молекула просто выпала бы в осадок из раствора, что привело бы к образованию неупорядоченных гранул, а не упорядоченного и, следовательно, пригодного для использования кристалла.
Как только кристалл получен, данные можно собирать с помощью луча излучения. Хотя многие университеты, которые занимаются кристаллографическими исследованиями, имеют собственное оборудование для производства рентгеновских лучей, синхротроны часто используются в качестве источников рентгеновского излучения из-за более чистых и полных структур, которые могут генерировать такие источники. Синхротронные источники также имеют гораздо более высокую интенсивность рентгеновских лучей, поэтому сбор данных занимает часть времени, обычно необходимого для более слабых источников. Дополнительные методы нейтронной кристаллографии используются для определения положений атомов водорода, поскольку рентгеновские лучи очень слабо взаимодействуют с легкими элементами, такими как водород.
Создание изображения из дифракционной картины требует сложной математики и часто итеративного процесса моделирования и уточнения. В этом процессе математически предсказанные дифракционные картины гипотетической или «модельной» структуры сравниваются с фактической картиной, созданной кристаллическим образцом. В идеале исследователи делают несколько первоначальных предположений, которые в результате уточнения сходятся к одному и тому же ответу. Модели уточняются до тех пор, пока их предсказанные закономерности не будут совпадать в максимально возможной степени без радикального пересмотра модели. Это кропотливый процесс, который сегодня намного проще сделать с помощью компьютеров.
Математические методы анализа дифракционных данных применимы только к образцам, которые, в свою очередь, возникают только тогда, когда волны дифрагируют от упорядоченных массивов. Следовательно, кристаллография применима по большей части только к кристаллам или к молекулам, которые можно уговорить кристаллизоваться для измерения. Несмотря на это, определенный объем молекулярной информации может быть выведен из структур, которые генерируются волокнами и порошками , которые, хотя и не так совершенны, как твердый кристалл, могут демонстрировать определенную степень упорядоченности. Этого уровня порядка может быть достаточно, чтобы вывести структуру простых молекул или определить грубые особенности более сложных молекул. Например, двойная спиральная структура ДНК был выведен из картины дифракции рентгеновских лучей, которая была получена волокнистым образцом.
Материаловедение [ править ]
Кристаллография используется материаловедами для характеристики различных материалов. В монокристаллах эффекты кристаллического расположения атомов часто легко увидеть макроскопически, потому что естественные формы кристаллов отражают атомную структуру. Кроме того, физические свойства часто контролируются кристаллическими дефектами. Понимание кристаллических структур - важная предпосылка для понимания кристаллографических дефектов . В основном материалы встречаются не в виде монокристаллов, а в поликристаллической форме (то есть в виде совокупности небольших кристаллов с разной ориентацией). Из-за этого дифракция на порошке Метод, который снимает дифрактограммы поликристаллических образцов с большим количеством кристаллов, играет важную роль в определении структуры.
Другие физические свойства также связаны с кристаллографией. Например, минералы в глине образуют небольшие плоские пластинчатые структуры. Глина легко деформируется, поскольку пластинчатые частицы могут скользить друг по другу в плоскости пластин, но при этом оставаться прочно связанными в направлении, перпендикулярном пластинам. Такие механизмы могут быть изучены путем измерения кристаллографической текстуры .
В другом примере железо при нагревании превращается из объемно-центрированной кубической (ОЦК) структуры в гранецентрированную кубическую (ГЦК) структуру, называемую аустенитом . ГЦК-структура представляет собой плотноупакованную структуру в отличие от ОЦК-структуры; таким образом, объем железа уменьшается, когда происходит это превращение.
Кристаллография полезна при идентификации фаз. При производстве или использовании материала обычно желательно знать, какие соединения и какие фазы присутствуют в материале, поскольку их состав, структура и пропорции будут влиять на свойства материала. Каждая фаза имеет характерное расположение атомов. Рентгеновская или нейтронная дифракция может использоваться для определения того, какие структуры присутствуют в материале и, следовательно, какие соединения присутствуют. Кристаллография охватывает перечисление моделей симметрии, которые могут быть образованы атомами в кристалле, и по этой причине связана с теорией групп и геометрией.
Биология [ править ]
Рентгеновская кристаллография - это основной метод определения молекулярных конформаций биологических макромолекул , особенно белков и нуклеиновых кислот, таких как ДНК и РНК . Фактически, двойная спиральная структура ДНК была выведена из кристаллографических данных. Первая кристаллическая структура макромолекулы была решена в 1958 году, трехмерная модель молекулы миоглобина была получена с помощью рентгеновского анализа. [5] Protein Data Bank (PDB) является свободно доступным хранилищем для структур белков и других биологических макромолекул. Компьютерные программы, такие как RasMol , Pymol илиVMD можно использовать для визуализации биологических молекулярных структур. Нейтронная кристаллография часто используется для уточнения структур, полученных рентгеновскими методами, или для разрешения конкретной связи; эти методы часто рассматриваются как дополняющие друг друга, поскольку рентгеновские лучи чувствительны к положению электронов и наиболее сильно рассеиваются на тяжелых атомах, в то время как нейтроны чувствительны к положению ядер и сильно рассеиваются даже на многих легких изотопах, включая водород и дейтерий. Электронная кристаллография использовалась для определения некоторых белковых структур, в первую очередь мембранных белков и вирусных капсидов .
Справочная литература [ править ]
В Международные Столы для кристаллографии [6] является восьмилетний книга серии , которая описывает стандартные обозначения для форматирования, описания и тестирования кристаллов. В эту серию входят книги, охватывающие методы анализа и математические процедуры для определения органической структуры с помощью рентгеновской кристаллографии, дифракции электронов и дифракции нейтронов. Международные таблицы сосредоточены на процедурах, методах и описаниях и не перечисляют физические свойства отдельных кристаллов. Каждая книга составляет около 1000 страниц, а названия книг:
- Том A - Симметрия космической группы ,
- Том A1 - Отношения симметрии между пространственными группами ,
- Том B - Взаимное пространство ,
- Том C - Математические, физические и химические таблицы ,
- Том D - Физические свойства кристаллов ,
- Vol E - субпериодические группы ,
- Том F - Кристаллография биологических макромолекул и
- Том G - Определение и обмен кристаллографическими данными .
Известные ученые [ править ]
- Уильям Эстбери
- Уильям Барлоу
- К. Арнольд Биверс
- Джон Десмонд Бернал
- Уильям Генри Брэгг
- Уильям Лоуренс Брэгг
- Огюст Браве
- Гленн Х. Браун
- Мартин Джулиан Бюргер
- Фрэнсис Крик
- Пьер Кюри
- Питер Дебай
- Иоганн Дайзенхофер
- Борис Делоне
- Гаутам Р. Дезираджу
- Джек Дуниц
- Дэвид Айзенберг
- Пол Питер Эвальд
- Евграф Степанович Федоров
- Розалинд Франклин
- Жорж Фридель
- Пауль Генрих фон Грот
- Рене Жюст Хауи
- Уэйн Хендриксон
- Карл Германн
- Иоганн Фридрих Кристиан Хессель
- Дороти Кроуфут Ходжкин
- Джудит Ховард
- Роберт Хубер
- Изабелла Карле
- Джером Карл
- Аарон Клаг
- Макс фон Лауэ
- Отто Леманн
- Майкл Левитт
- Генри Липсон
- Кэтлин Лонсдейл
- Эрнест-Франсуа Маллард
- Шарль-Виктор Моген
- Уильям Хэллоуз Миллер
- Фридрих Моос
- Пол Ниггли
- Луи Пастер
- Артур Линдо Паттерсон
- Макс Перуц
- Фридрих Рейнитцер
- Хьюго Ритвельд
- Жан-Батист Л. Роме де л'Иль
- Майкл Россманн
- Пол Шеррер
- Артур Мориц Шёнфлис
- Дэн Шехтман
- Джордж М. Шелдрик
- Тедж П. Сингх
- Николя Стено
- Констанс Типпер
- Даниэль Форлендер
- Кристиан Самуэль Вайс
- Дон Крейг Вайли
- Ральф Уолтер Грейстоун Вайкофф
- Ада Йонат
См. Также [ править ]
- Аномальный рост зерна
- Фактор атомной упаковки
- Полоса Биверса – Липсона
- Физика конденсированного состояния
- Кристалл инженерия
- Рост кристаллов
- Кристаллическая оптика
- Кристальная структура
- Кристаллит
- Процессы кристаллизации
- Кристаллографическая база данных
- Кристаллографическая точечная группа
- Кристаллографическая группа
- Динамическая теория дифракции
- Электронная кристаллография
- Изометрия евклидовой плоскости
- Неподвижные точки групп изометрий в евклидовом пространстве
- Дробные координаты
- Групповое действие
- Международный год кристаллографии
- Рост пьедестала с лазерным нагревом
- Материаловедение
- Металлургия
- Минералогия
- Моделирование полимерных кристаллов
- Нейтронная кристаллография
- Дифракция нейтронов на OPAL
- Дифракция нейтронов на ILL
- ЯМР-кристаллография
- Группа перестановок
- Группа точек
- Прецессионная дифракция электронов
- Квантовая минералогия
- Квазикристалл
- Химия твердого тела
- Космическая группа
- Симметричная группа
- Рентгеновская кристаллография
- Постоянная решетки
Ссылки [ править ]
- ↑ Объявление ООН «Международный год кристаллографии» . iycr2014.org. 12 июля 2012 г.
- ^ "Эволюция гониометра" . Природа . 95 (2386): 564–565. 1915-07-01. Bibcode : 1915Natur..95..564. . DOI : 10.1038 / 095564a0 . ISSN 1476-4687 .
- ^ Влодавер, Александр; Минор, Владек; Даутер, Збигнев; Яскольский, Мариуш (январь 2008 г.). «Кристаллография белков для некристаллографов, или как получить максимум (но не больше) из опубликованных макромолекулярных структур» . Журнал FEBS . 275 (1): 1-21. DOI : 10.1111 / j.1742-4658.2007.06178.x . ISSN 1742-464X . PMC 4465431 . PMID 18034855 .
- ↑ Снигирев, А. (2007). «Двухступенчатая жесткая фокусировка рентгеновского излучения, сочетающая зонную пластину Френеля и эллипсоидальный капилляр с однократным отскоком». Журнал синхротронного излучения . 14 (Pt 4): 326–330. DOI : 10.1107 / S0909049507025174 . PMID 17587657 .
- ^ Кендрю, JC; Bodo, G .; Динцис, HM; Пэрриш, RG; Wyckoff, H .; Филлипс, округ Колумбия (1958). «Трехмерная модель молекулы миоглобина, полученная с помощью рентгеновского анализа». Природа . 181 (4610): 662–6. Bibcode : 1958Natur.181..662K . DOI : 10.1038 / 181662a0 . PMID 13517261 . S2CID 4162786 .
- ^ Принц, Э. (2006). Международные таблицы для кристаллографии Vol. C: математические, физические и химические таблицы . Вайли. ISBN 978-1-4020-4969-9.
Внешние ссылки [ править ]
 | Использование внешних ссылок в этой статье может не соответствовать политикам или рекомендациям Википедии . ( Ноябрь 2020 г. ) ( Узнайте, как и когда удалить этот шаблон сообщения ) |
- Американская кристаллографическая ассоциация
- Изучение кристаллографии
- Структуры кристаллической решетки
- 100 лет кристаллографии Королевского института анимации
- Vega Science Trust Interviews on Crystallography Видеоинтервью Freeview с Максом Перуцем, Робером Хубером и Аароном Клагом.
- Комиссия по кристаллографическому обучению, брошюры
- Лаборатория Эймса, Исследовательские ресурсы по кристаллографии Министерства энергетики США
- Международный союз кристаллографии
- Веб-портал ресурсов кристаллографии открытого доступа
- Хронология интерактивной кристаллографии от Королевского института
- Вехи природы в кристаллографии
- Кристаллография в 21 веке (передовая статья в Acta Crystallographica, Раздел A)
- Кристаллография в наше время на BBC
| vтеГеология | ||
|---|---|---|
| Обзоры |
| |
| История геологии |
| |
| Состав и структура |
| |
| Историческая геология |
| |
| Движение |
| |
| Вода |
| |
| Геофизика |
| |
| Приложения |
| |
| Профессии |
| |
| ||
Геология
Науки о Земле
Геология| vтеОтрасли химии | |
|---|---|
| |
| Физический |
|
| Органический |
|
| Неорганический |
|
| Аналитический |
|
| Другие |
|
| Смотрите также |
|
| |
Commons
