Кристаллография

Из Википедии, бесплатной энциклопедии
Чтобы узнать о книге стихов, см. Кристаллография (книга) .
Кристаллическое твердое вещество: изображение титаната стронция с атомным разрешением . Более светлые пятна — это столбики атомов стронция , более темные — титан - кислородные столбы.
Октаэдрические и тетраэдрические междоузлия в гранецентрированной кубической структуре.
Линии Кикучи на картине дифракции обратного рассеяния электронов монокристаллического кремния, снятой при 20 кВ с помощью автоэмиссионного источника электронов.

Кристаллография — раздел науки, посвященный изучению молекулярной и кристаллической структуры и свойств. [1] Слово кристаллография происходит от древнегреческого слова κρύσταλλος ( krústallos ; «чистый лед, горный хрусталь») и γράφειν ( gráphein ; «писать»). [2] В июле 2012 года Организация Объединенных Наций признала важность науки кристаллографии, провозгласив 2014 год Международным годом кристаллографии. [3]

Кристаллография — это обширная тема, и существует множество подобластей, таких как рентгеновская кристаллография, которые сами по себе являются крупными научными темами. Он охватывает науку от основ кристаллической структуры до математики геометрии кристаллов, включая те, которые не являются периодическими или квазикристаллами . На атомном уровне это может включать использование дифракции рентгеновских лучей для получения экспериментальных данных, которые инструменты рентгеновской кристаллографии могут преобразовать в подробные положения атомов, а иногда и в электронную плотность. В более широком масштабе он включает в себя экспериментальные инструменты, такие как ориентационная визуализация, для изучения относительной ориентации на границе зерен в материалах. Кристаллография играет ключевую роль во многих областях биологии, химии и физики, а также в новых разработках в этих областях.

История и хронология [ править ]

Основная статья: Хронология кристаллографии

До 20 в. изучение кристаллов основывалось на физических измерениях их геометрии с помощью гониометра . [4] 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. [5] [6]

Открытие рентгеновских лучей и электронов в последнее десятилетие XIX века позволило определить кристаллические структуры в атомном масштабе, что положило начало современной эре кристаллографии. Первый эксперимент по дифракции рентгеновских лучей был проведен в 1912 году Максом фон Лауэ , а дифракция электронов была впервые реализована в 1927 году в эксперименте Дэвиссона-Гермера . Позже они развились в две основные отрасли кристаллографии: рентгеновскую кристаллографию и электронную кристаллографию . Качество и производительность решения кристаллических структур значительно возросли во второй половине 20-го века с развитием специализированных инструментов и алгоритмов фазирования . В настоящее время кристаллография является междисциплинарной областью , поддерживающей теоретические и экспериментальные открытия в различных областях. [7] Современные научные инструменты для кристаллографии варьируются от оборудования лабораторного размера, такого как дифрактометры и электронные микроскопы , до специализированных крупных установок, таких как фотоинжекторы , источники синхротронного света и лазеры на свободных электронах .

Методология [ править ]

Основные статьи: Рентгеновская кристаллография , Дифракция электронов , Нейтронная кристаллография и ЯМР-кристаллография.

Кристаллографические методы в основном зависят от анализа дифракционных картин образца, на который воздействует луч того или иного типа. рентгеновские лучи Чаще всего используются ; другие используемые лучи включают электроны или нейтроны . Кристаллографы часто явно указывают тип используемого луча, например, в терминах дифракция рентгеновских лучей , дифракция нейтронов и дифракция 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.

Приложения в различных областях [ править ]

Материаловедение [ править ]

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 , которые позволяют получить дифракционные картины 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 . Кристаллографические исследования помогают выяснить взаимосвязь между структурой материала и его свойствами, помогая разрабатывать новые материалы с индивидуальными характеристиками. Это понимание имеет решающее значение в различных областях, включая металлургию, геологию и материаловедение. Достижения в области кристаллографических методов, таких как дифракция электронов и рентгеновская кристаллография, продолжают расширять наше понимание поведения материалов на атомном уровне.

В другом примере железо превращается из объемноцентрированной кубической (ОЦК) структуры, называемой ферритом , в гранецентрированную кубическую (ГЦК) структуру, называемую аустенитом . при нагревании [8] 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 .

Дополнительная информация: Олигокристаллический материал.

Биология [ править ]

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. [9] Банк данных белков (PDB) — это 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. Дифракция электронов использовалась для определения некоторых белковых структур, в первую очередь мембранных белков и вирусных капсидов .

Обозначения [ править ]

Основная статья: Индекс Миллера
  • Координаты в квадратных скобках , например [100], обозначают вектор направления (в реальном пространстве).
  • Координаты в угловых скобках или шевронах , например <100>, обозначают семейство направлений, связанных операциями симметрии. в кубической кристаллической системе Например, <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 нормалью к плоскости (hkl) является направление [hkl], но в случаях более низкой симметрии нормаль к (hkl) не параллельна [hkl].
  • Индексы в фигурных скобках или фигурных скобках , например {100}, обозначают семейство плоскостей и их нормалей. В кубических материалах симметрия делает их эквивалентными, точно так же, как угловые скобки обозначают семейство направлений. В некубических материалах <hkl> не обязательно перпендикулярен {hkl}.

Справочная литература [ править ]

Международные таблицы кристаллографии [10] представляет собой серию 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 следующие:

Том А - Симметрия космической группы ,
Том A1 - Отношения симметрии между пространственными группами ,
Том Б - Взаимное пространство ,
Том C – Математические, физические и химические таблицы ,
Том D – Физические свойства кристаллов ,
Том E - Субпериодические группы ,
Том F - Кристаллография биологических макромолекул , и
Том G – Определение и обмен кристаллографическими данными .

Известные учёные [ править ]

См. также [ править ]

Ссылки [ править ]

  1. ^ Шапюи, Жерве (ред.). «Интернет-словарь кристаллографии» . Интернет-словарь кристаллографии . Международный союз кристаллографии . Проверено 22 мая 2024 г.
  2. ^ «Интернет-словарь кристаллографии» . Международный союз кристаллографии . 21 октября 2021 г. Проверено 11 марта 2024 г.
  3. ^ Объявление ООН «Международный год кристаллографии» . iycr2014.org. 12 июля 2012 г.
  4. ^ «Эволюция гониометра» . Природа . 95 (2386): 564–565. 1 июля 1915 г. Бибкод : 1915Natur..95..564. . дои : 10.1038/095564a0 . ISSN   1476-4687 .
  5. ^ Молчанов, Крешимир; Стилинович, Владимир (13 января 2014 г.). «Химическая кристаллография до дифракции рентгеновских лучей» . Angewandte Chemie, международное издание . 53 (3): 638–652. дои : 10.1002/anie.201301319 . ISSN   1433-7851 . ПМИД   24065378 .
  6. ^ Маскареньяс, Ивонн Примерано (2 марта 2020 г.). «Кристаллография до открытия дифракции рентгеновских лучей» . Бразильский журнал преподавания физики . 42 : е20190336. дои : 10.1590/1806-9126-RBEF-2019-0336 . ISSN   1806-1117 .
  7. ^ Брукс-Бартлетт, Джонатан К.; Гарман, Элспет Ф. (3 июля 2015 г.). «Нобелевская премия по науке: сто лет кристаллографии» . Междисциплинарные научные обзоры . 40 (3): 244–264. Бибкод : 2015ISRv...40..244B . дои : 10.1179/0308018815Z.000000000116 . ISSN   0308-0188 .
  8. ^ «Материаловедение и инженерия: Введение, 10-е издание | Wiley» . Wiley.com . Проверено 10 сентября 2022 г.
  9. ^ Кендрю, Джей Си; Бодо, Г.; Динцис, Х.М.; Пэрриш, Р.Г.; Вайкофф, Х.; Филлипс, округ Колумбия (1958). «Трёхмерная модель молекулы миоглобина, полученная методом рентгеновского анализа». Природа . 181 (4610): 662–6. Бибкод : 1958Natur.181..662K . дои : 10.1038/181662a0 . ПМИД   13517261 . S2CID   4162786 .
  10. ^ Принц, Э. (2006). Международные таблицы по кристаллографии Vol. C: Математические, физические и химические таблицы . Уайли. ISBN  978-1-4020-4969-9 . OCLC   166325528 . ОЛ   9332669М . Архивировано из оригинала 6 мая 2022 года.

Внешние ссылки [ править ]

Retrieved from "https://en.wikipedia.org/w/index.php?title=Crystallography&oldid=1225187878"