Кристаллография
 | Редактор провел поиск и обнаружил, что существует достаточно источников, предмета чтобы установить известность . ( июль 2024 г. ) |
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 — обширная тема, и многие из ее разделов, например рентгеновская кристаллография , сами по себе являются важными научными темами. Кристаллография варьируется 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 крупных масштабах 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 сроки
[ редактировать ]До 20 века исследование 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 благодаря разработке специализированных инструментов и алгоритмов фазировки . 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
[ редактировать ]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 взаимодействуют с пространственным распределением электронов в образце. [8]
- Нейтроны рассеиваются атомными ядрами за счет сильных ядерных сил , но, кроме того, магнитный момент нейтронов отличен от нуля, поэтому они также рассеиваются магнитными полями . Когда нейтроны рассеиваются на водородсодержащих материалах, они создают дифракционные картины с высоким уровнем шума, который иногда можно устранить, заменив дейтерием . водород [9]
- Электроны являются заряженными частицами и поэтому взаимодействуют с общим распределением зарядов как атомных ядер , так и электронов образца. [10] : Глава 4
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.
Применение в различных областях
[ редактировать ]Материаловедение
[ редактировать ]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 [11] 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 .
Биология
[ редактировать ]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. [12] 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
[ редактировать ]- 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
[ редактировать ]Международные таблицы кристаллографии [13] 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 ученые
[ редактировать ]- Уильям Эстбери
- Уильям Барлоу
- К. Арнольд Биверс
- Джон Десмонд Бернал
- Уильям Генри Брэгг
- Уильям Лоуренс Брэгг
- Огюст Брале
- Гленн Х. Браун
- Мартин Джулиан Бюргер
- сэр Гордон Кокс
- Фрэнсис Крик
- DWJ Круикшанк
- Пьер Кюри
- Питер Дебай
- Иоганн Дайзенхофер
- Борис Делоне
- Гаутам Р. Десираджу
- Элеонора Додсон
- Джек Дуниц
- Дэвид Айзенберг
- Пол Питер Эвальд
- Evgraf Stepanovich Fedorov
- Розалинда Франклин
- Жорж Фридель
- Дженни Глускер
- Пауль Генрих фон Грот
- Герберт А. Хауптман
- Рене Жюст Аюи
- Уэйн Хендриксон
- Карл Германн
- Иоганн Фридрих Кристиан Хессель
- Дороти Кроуфут Ходжкин
- Джудит Ховард
- Роберт Хубер
- Луиза Джонсон
- Изабелла Карл
- Джером Карл
- Ольга Кеннард
- Аарон Смарт
- Макс фон Лауэ
- Отто Леманн
- Майкл Левитт
- Генри Липсон
- Кэтлин Лонсдейл
- Эрнест-Франсуа Маллар
- Шарль-Виктор Моген
- Уильям Хэллоуз Миллер
- Фридрих Моос
- Пол Ниггли
- Луи Пастер
- Артур Линдо Паттерсон
- Макс Перуц
- Фридрих Райницер
- Хьюго Ритвельд
- Жан-Батист Л. Роме де л'Иль
- Майкл Россманн
- Пол Шеррер
- Артур Мориц Шенфлис
- Дэн Шехтман
- Джордж М. Шелдрик
- Тедж П. Сингх
- Николас Стено
- Констанс Типпер
- Дэниел Форландер
- Кристиан Сэмюэл Вайс
- Дон Крейг Уайли
- Майкл Вульфсон
- Ральф Уолтер Грейстоун Вайкофф
- Там Йонат
См. также
[ редактировать ]- Фактор атомной упаковки
- Кристаллическая структура
- Кристаллографическая база данных
- Кристаллографическая точечная группа
- Кристаллографическая группа
- Система классификации Дана
- Электронная кристаллография
- Электронная дифракция
- Дробные координаты
- Дифракция низкоэнергетических электронов
- Нейтронная кристаллография
- Нейтронная дифракция в OPAL
- Дифракция нейтронов в ILL
- ЯМР-кристаллография
- Группа точек
- Прецессионная дифракция электронов
- Квазикристалл
- Дифракция быстрых электронов на отражение
- Космическая группа
- Симметричная группа
- Хронология кристаллографии
- Просвечивающая электронная микроскопия
- Рентгеновская кристаллография
Ссылки
[ редактировать ]- ^ Шапюи, Жерве (ред.). «Интернет-словарь кристаллографии» . Интернет-словарь кристаллографии . Международный союз кристаллографии . Проверено 22 мая 2024 г.
- ^ «Интернет-словарь кристаллографии» . Международный союз кристаллографии . 21 октября 2021 г. Проверено 11 марта 2024 г.
- ^ Объявление ООН «Международный год кристаллографии» . iycr2014.org. 12 июля 2012 г.
- ^ «Эволюция гониометра» . Природа . 95 (2386): 564–565. 1 июля 1915 г. Бибкод : 1915Природа..95..564. . дои : 10.1038/095564a0 . ISSN 1476-4687 .
- ^ 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 .
- ^ 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 .
- ^ 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 .
- ^ Каллити, Б.Д.; Сток, Стюарт Р. (2001). Элементы рентгеновской дифракции (3-е изд.). Река Аппер-Сэдл, Нью-Джерси: Прентис-Холл. ISBN 978-0-201-61091-8 .
- ^ «Нейтронная дифракция ISIS с изотопным замещением» . www.isis.stfc.ac.uk. Проверено 2 июля 2024 г.
- ^ Коули, Джон Максвелл (1995). Дифракционная физика . Личная библиотека Северной Голландии (3-е изд.). Амстердам; Elsevier Science BV Нью-Йорк: ISBN 978-0-444-82218-5 .
- ^ «Материаловедение и инженерия: Введение, 10-е издание | Wiley» . Wiley.com . Проверено 10 сентября 2022 г.
- ^ 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 .
- ^ 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
[ редактировать ]- Бесплатная книга «Геометрия кристаллов, поликристаллов и фазовых превращений»
- Американская кристаллографическая ассоциация
- Изучение кристаллографии
- Веб-курс по кристаллографии
- Кристаллографические пространственные группы
Отрасли материаловедения |
|---|
Отрасли химии |
|---|
