Кристаллография

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 относительно 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 они используются 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. Глину легко деформировать, поскольку пластинчатые частицы могут скользить друг по другу в плоскости пластин, но при этом оставаться 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 взаимодополняющие, 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:

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 : 1915Природа..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). «Трехмерная 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"