Кристаллография — экспериментальная наука об определении расположения атомов в кристаллических твёрдых телах . Кристаллография является фундаментальным предметом в области материаловедения и физики твердого тела ( физики конденсированного состояния ). Слово кристаллография происходит от древнегреческого слова κρύσταλλος ( krústallos ; «чистый лед, горный хрусталь»), причем его значение распространяется на все твердые тела с некоторой степенью прозрачности , и γράφειν ( gráphein ; «писать»). В июле 2012 года Организация Объединенных Наций признала важность науки кристаллографии, провозгласив 2014 год Международным годом кристаллографии. [1]
До развития рентгеноструктурной кристаллографии (см. ниже) исследование кристаллов основывалось на физических измерениях их геометрии с помощью гониометра . [2] Это включало измерение углов граней кристалла относительно друг друга и теоретических осей отсчета (кристаллографических осей) и установление симметрии рассматриваемого кристалла. Положение каждой грани кристалла в трехмерном пространстве отображается на стереографической сети, такой как сеть Вульфа или сеть Ламберта . Полюс каждой грани наносится на сеть. Каждая точка помечена индексом Миллера . Окончательный график позволяет установить симметрию кристалла.
Кристаллографические методы в основном зависят от анализа дифракционных картин образца, на который воздействует луч того или иного типа. Чаще всего используются рентгеновские лучи ; другие используемые лучи включают электроны или нейтроны . Кристаллографы часто четко указывают тип используемого луча, например, в терминах рентгеновской кристаллографии , дифракции нейтронов и дифракции электронов . Эти три типа излучения по-разному взаимодействуют с образцом.
Рентгеновские лучи или нейтроны трудно сфокусировать, но поскольку электроны заряжены, их можно сфокусировать и использовать в электронном микроскопе для получения увеличенных изображений. Существует множество способов использования просвечивающей электронной микроскопии и связанных с ней методов, таких как сканирующая просвечивающая электронная микроскопия , электронная микроскопия высокого разрешения, для получения изображений во многих случаях с атомным разрешением, из которых можно получить кристаллографическую информацию. Существуют также другие методы, такие как дифракция низкоэнергетических электронов , микроскопия низкоэнергетических электронов и дифракция отраженных электронов высоких энергий , которые можно использовать для получения кристаллографической информации о поверхностях.
Кристаллография используется учеными-материаловедами для характеристики различных материалов. В монокристаллах эффекты кристаллического расположения атомов часто легко увидеть макроскопически, поскольку естественные формы кристаллов отражают атомную структуру. Кроме того, физические свойства часто контролируются кристаллическими дефектами. Понимание кристаллических структур — важная предпосылка для понимания кристаллографических дефектов . Большинство материалов не встречаются в виде монокристаллов, а имеют поликристаллическую природу (они существуют в виде совокупности мелких кристаллов различной ориентации). Таким образом, методы порошковой дифракции , позволяющие получать дифракционные картины поликристаллических образцов с большим количеством кристаллов, играют важную роль в определении структуры.
Другие физические свойства также связаны с кристаллографией. Например, минералы глины образуют небольшие плоские пластинчатые структуры. Глина легко деформируется, поскольку пластинчатые частицы могут скользить друг по другу в плоскости пластин, оставаясь при этом прочно связанными в направлении, перпендикулярном пластинам. Такие механизмы можно изучить с помощью измерений кристаллографической текстуры .
В другом примере железо при нагревании превращается из объемноцентрированной кубической (ОЦК) структуры, называемой ферритом , в гранецентрированную кубическую (ГЦК) структуру, называемую аустенитом . [3] Структура ГЦК представляет собой плотноупакованную структуру в отличие от структуры ОЦК; 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 структур симметрии, которые могут быть образованы атомами в кристалле, и по этой причине связана с теорией групп .
Рентгеновская кристаллография является основным методом определения молекулярных конформаций биологических макромолекул , особенно белков и нуклеиновых кислот , таких как ДНК и РНК . Двойная спиральная структура ДНК была установлена на основе кристаллографических данных. Первая кристаллическая структура макромолекулы была решена в 1958 году, трехмерная модель молекулы миоглобина получена с помощью рентгеновского анализа. [4] Банк данных белков (PDB) представляет собой свободно доступное хранилище структур белков и других биологических макромолекул. Компьютерные программы, такие как RasMol , Pymol или VMD, можно использовать для визуализации биологических молекулярных структур. Нейтронная кристаллография часто используется для уточнения структур, полученных рентгеновскими методами, или для решения 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 .
« Международные таблицы по кристаллографии» [5] — это серия из восьми книг, в которой излагаются стандартные обозначения для форматирования, описания и тестирования кристаллов. В серию входят книги, в которых рассматриваются методы анализа и математические процедуры 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 самих отдельных кристаллов. В каждой книге около 1000 страниц, а названия книг: