Kristallographie ist die Wissenschaft der Einordnung von Atomen in Festkörpern. Das Wort "Kristallographie" ist auf die griechischen Wörter crystallon = kalter Fall / eingefrorener Fall, mit seiner Bedeutung des Verlängerns zu allen Festkörpern mit etwas Grad der Durchsichtigkeit zurückzuführen, und grapho = schreiben.

Vor der Entwicklung der Röntgenstrahl-Beugungskristallographie (sieh unten) hat die Studie von Kristallen auf ihrer Geometrie basiert. Das schließt das Messen der Winkel von Kristallgesichtern hinsichtlich theoretischer Bezugsäxte (crystallographic Äxte), und das Herstellen der Symmetrie des fraglichen Kristalls ein. Der erstere wird mit einem goniometer ausgeführt. Die Position im 3D-Raum jedes Kristallgesichtes wird in einem stereografischen Netz z.B geplant. Netz von Wulff oder Netz von Lambert. Tatsächlich wird der Pol zu jedem Gesicht im Netz geplant. Jeder Punkt wird mit seinem Index von Miller etikettiert. Der Endanschlag erlaubt der Symmetrie des Kristalls, gegründet zu werden.

Methoden von Crystallographic hängen jetzt von der Analyse der Beugungsmuster einer durch einen Balken von einem Typ ins Visier genommenen Probe ab. Obwohl Röntgenstrahlen meistens verwendet werden, ist der Balken nicht immer elektromagnetische Radiation. Weil einige Zweck-Elektronen oder Neutronen verwendet werden. Das wird durch die Welle-Eigenschaften der Partikeln erleichtert. Crystallographers setzen häufig ausführlich den Typ der verwendeten Beleuchtung fest, wenn sie sich auf eine Methode, als mit der Begriff-Röntgenstrahl-Beugung, Neutronbeugung und Elektronbeugung beziehen.

Diese drei Typen der Radiation wirken mit dem Muster unterschiedlich aufeinander. Röntgenstrahlen wirken mit dem Raumvertrieb der Wertigkeitselektronen aufeinander, während Elektronen beladene Partikeln sind und deshalb den Gesamtanklage-Vertrieb sowohl der Atomkerne als auch der Umgebungselektronen fühlen. Neutronen werden durch die Atomkerne durch die starken Kernkräfte gestreut, aber außerdem ist der magnetische Moment von Neutronen Nichtnull. Sie werden deshalb auch durch magnetische Felder gestreut. Wenn Neutronen von wasserstoffenthaltenden Materialien gestreut werden, erzeugen sie Beugungsmuster mit hohen Geräuschniveaus. Jedoch kann das Material manchmal behandelt werden, um gegen schweren Wasserstoff Wasserstoff auszuwechseln. Wegen dieser verschiedenen Formen der Wechselwirkung sind die drei Typen der Radiation für verschiedene Crystallographic-Studien passend.

Theorie

Allgemein wird ein Image eines kleinen Gegenstands mit einer Linse gemacht, um die Leuchtradiation einzustellen, wie mit den Strahlen des sichtbaren Spektrums in der leichten Mikroskopie getan wird. Jedoch ist die Wellenlänge des sichtbaren Lichtes (ungefähr 4000 bis 7000 Angströme) drei Größenordnungen, die länger sind als die Länge von typischen Atomobligationen und Atomen selbst (ungefähr 1 bis 2 Angströme). Deshalb verlangt das Erreichen der Information über die Raumeinrichtung von Atomen den Gebrauch der Radiation mit kürzeren Wellenlängen, wie Röntgenstrahlen oder Neutronbalken. Die Beschäftigung kürzerer Wellenlängen hat bedeutet, Mikroskopie und wahre Bildaufbereitung jedoch aufzugeben, weil dort kein Material besteht, von dem eine Linse, die dazu fähig ist, diesen Typ der Radiation einzustellen, geschaffen werden kann. (Der gesagt hat, haben Wissenschaftler einige Erfolg-Fokussierungsröntgenstrahlen mit mikroskopischen Zonentellern von Fresnel gehabt, die von Gold, und durch das Nachdenken des kritischen Winkels innerhalb von langen verjüngten Haargefäßen gemacht sind.) Gebeugter Röntgenstrahl oder Neutronbalken können nicht eingestellt werden, um Images zu erzeugen, so muss die Beispielstruktur vom Beugungsmuster wieder aufgebaut werden. Scharfe Eigenschaften im Beugungsmuster entstehen aus der periodischen, sich wiederholenden Struktur in der Probe, die häufig wegen des zusammenhängenden Nachdenkens von vielen Fotonen von vielen regelmäßig Beispielen unter Drogeneinfluss der ähnlichen Struktur sehr stark sind, während nichtperiodische Bestandteile der Struktur weitschweifig (und gewöhnlich schwach) Beugungseigenschaften hinauslaufen. Gesagt einfacher neigen Gebiete mit einer höheren Dichte und Wiederholung der Atom-Ordnung dazu, leichter zu einem Punkt im Raum wenn im Vergleich zu jenen Gebieten mit weniger Atomen und weniger Wiederholung nachzudenken.

Wegen ihrer hoch bestellten und wiederholenden Struktur geben Kristalle Beugungsmuster von scharfen Nachdenken-Punkten von Bragg und sind ideal, für die Struktur von Festkörpern zu analysieren.

Notation

• Koordinaten in eckigen Klammern, die einen Richtungsvektoren (im echten Raum) anzeigen.
• Koordinaten in Winkelklammern oder Chevrons solcher als <100> zeigen Sie eine Familie von Richtungen an, die durch Symmetrie-Operationen verbunden sind. Im Kubikkristallsystem zum Beispiel,
• Müller-Indizes in Parenthesen solcher als (100) zeigen ein Flugzeug der Kristallstruktur und regelmäßige Wiederholungen dieses Flugzeugs mit einem besonderen Abstand an. Im Kubiksystem ist das normale zum (hkl) Flugzeug die Richtung [hkl], aber in Fällen der niedrigeren Symmetrie ist das normale zu (hkl) zu [hkl] nicht parallel.
• Indizes in lockigen Klammern oder geschweiften Klammern, die eine Familie von Flugzeugen und ihren normals anzeigen, die in Kubikmaterialien wegen Symmetrie-Operationen, viel der Weg Winkelklammern gleichwertig sind, zeigen eine Familie von Richtungen an. In Nichtkubikmaterialien,

Technik

Einige Materialien das studierte Verwenden der Kristallographie, Proteine zum Beispiel, kommen natürlich als Kristalle nicht vor. Gewöhnlich werden solche Moleküle in die Lösung gelegt und erlaubt, im Laufe der Tage, Wochen oder Monate durch die Dampf-Verbreitung zu kristallisieren. Ein Fall der Lösung, die das Molekül, den Puffer und precipitants enthält, wird in einem Behälter mit einem Reservoir gesiegelt, das eine hygroskopische Lösung enthält. Das Wasser im Fall verbreitet sich zum Reservoir, langsam die Konzentration vergrößernd und einem Kristall erlaubend, sich zu formen. Wenn sich die Konzentration schneller erheben sollte, würde sich das Molekül einfach aus der Lösung niederschlagen, auf unordentliche Körnchen aber nicht einen regelmäßigen und folglich verwendbaren Kristall hinauslaufend.

Sobald ein Kristall erhalten wird, können Daten mit einem Balken der Radiation gesammelt werden. Obwohl viele Universitäten, die sich mit der crystallographic Forschung beschäftigen, ihre eigene Röntgenstrahl-Produzieren-Ausrüstung haben, werden Synchrotrons häufig als Röntgenstrahl-Quellen wegen der reineren und mehr ganzen Muster verwendet, die solche Quellen erzeugen können. Synchrotron-Quellen haben auch eine viel höhere Intensität von Röntgenstrahl-Balken, so nimmt Datenerfassung einen Bruchteil der an schwächeren Quellen normalerweise notwendigen Zeit. Ergänzungsneutronkristallographie-Techniken werden verwendet, um Wasserstoffatom-Positionen zu erhöhen. Solche Techniken sind in Neutronmöglichkeiten verfügbar.

Das Produzieren eines Images von einem Beugungsmuster verlangt hoch entwickelte Mathematik und häufig einen wiederholenden Prozess des Modellierens und der Verbesserung. In diesem Prozess sind die mathematisch vorausgesagten Beugungsmuster einer Hypothese aufgestellten oder "vorbildlichen" Struktur im Vergleich zum wirklichen durch die kristallene Probe erzeugten Muster. Ideal machen Forscher mehrere anfängliche Annahmen, die durch die Verbesserung alle auf derselben Antwort zusammenlaufen. Modelle werden bis zu ihrem vorausgesagten Muster-Match zu einem so großen Grad raffiniert, wie ohne radikale Revision des Modells erreicht werden kann. Das ist ein sorgfältiger Prozess, gemacht viel leichter heute durch Computer.

Die mathematischen Methoden für die Analyse von Beugungsdaten gelten nur für Muster, die der Reihe nach nur resultieren, wenn Wellen von der regelmäßigen Reihe beugen. Folglich gilt Kristallographie größtenteils nur für Kristalle, oder für Moleküle, die geschmeichelt werden können, um wegen des Maßes zu kristallisieren. Trotz dessen kann ein bestimmter Betrag der molekularen Information aus den Mustern abgeleitet werden, die durch Fasern und Puder erzeugt werden, die während nicht so vollkommen wie ein fester Kristall, einen Grad der Ordnung ausstellen kann. Dieses Niveau der Ordnung kann genügend sein, um die Struktur von einfachen Molekülen abzuleiten, oder die rauen Eigenschaften von mehr komplizierten Molekülen zu bestimmen. Zum Beispiel wurde die doppelt-spiralenförmige Struktur der DNA aus einem Röntgenstrahl-Beugungsmuster abgeleitet, das durch eine faserige Probe erzeugt worden war.

Kristallographie in der Material-Technik

Kristallographie ist ein Werkzeug, das häufig von Material-Wissenschaftlern verwendet wird. In Monokristallen sind die Effekten der kristallenen Einordnung von Atomen häufig leicht, makroskopisch zu sehen, weil die natürlichen Gestalten von Kristallen den Atombau widerspiegeln. Außerdem werden physikalische Eigenschaften häufig von kristallenen Defekten kontrolliert. Das Verstehen von Kristallstrukturen ist eine wichtige Vorbedingung, um crystallographic Defekte zu verstehen. Größtenteils kommen Materialien in einer einzelnen kristallenen aber polykristallenen Form, solch nicht vor, dass die Puder-Beugungsmethode eine wichtigste Rolle im Strukturentschluss spielt.

Mehrere andere physikalische Eigenschaften werden mit der Kristallographie verbunden. Zum Beispiel, die Minerale in der Tonform kleine, flache, tellermäßige Strukturen. Ton kann leicht deformiert werden, weil die tellermäßigen Partikeln entlang einander im Flugzeug der Teller gleiten, noch stark verbunden in der Richtungssenkrechte zu den Tellern bleiben können. Solche Mechanismen können durch crystallographic Textur-Maße studiert werden.

In einem anderen Beispiel verwandelt sich Eisen von einer Körper - kubischen (bcc) Struktur bis genannten austenite einer flächenzentrierten kubischen (fcc) Struktur, wenn es geheizt wird. Die fcc Struktur ist eine Ende-gepackte Struktur, und die bcc Struktur ist nicht, der erklärt, warum das Volumen des Eisens abnimmt, wenn diese Transformation vorkommt.

Kristallographie ist in der Phase-Identifizierung nützlich. Wenn man jeden Prozess auf einem Material durchführt, kann es gewünscht werden, um herauszufinden, welche Zusammensetzungen, und welche Phasen im Material da sind. Jede Phase hat eine charakteristische Einordnung von Atomen. Techniken wie Röntgenstrahl oder Neutronbeugung können verwendet werden, um sich zu identifizieren, welche Muster im Material, und so da sind, welche Zusammensetzungen da sind.

Kristallographie bedeckt die Enumeration der Symmetrie-Muster, die durch Atome in einem Kristall gebildet werden können und aus diesem Grund eine Beziehung zur Gruppentheorie und Geometrie haben. Sieh Symmetrie-Gruppe.

Biologie

Röntgenstrahl-Kristallographie ist die primäre Methode, für den molekularen conformations von biologischen Makromolekülen, besonders Protein und Nukleinsäuren wie DNA und RNS zu bestimmen. Tatsächlich wurde die doppelt-spiralenförmige Struktur der DNA aus crystallographic Daten abgeleitet. Die erste Kristallstruktur eines Makromoleküls wurde 1958 gelöst. Ein dreidimensionales Modell des myoglobin Moleküls hat durch die Röntgenanalyse vorgeherrscht. Protein Data Bank (PDB) ist ein frei zugängliches Behältnis für die Strukturen von Proteinen und anderen biologischen Makromolekülen. Computerprogramme wie RasMol oder Pymol können verwendet werden, um sich biologische molekulare Strukturen zu vergegenwärtigen.

Neutronkristallographie wird häufig verwendet, um zu helfen, Strukturen zu raffinieren, die durch Röntgenstrahl-Methoden erhalten sind oder ein spezifisches Band zu lösen; die Methoden werden häufig als ergänzend angesehen, weil Röntgenstrahlen zu Elektronpositionen und Streuung am stärksten von schweren Atomen empfindlich sind, während Neutronen zu Kern-Positionen und Streuung stark von vielen leichten Isotopen, einschließlich Wasserstoffs und schweren Wasserstoffs empfindlich sind.

Elektronkristallographie ist verwendet worden, um einige Protein-Strukturen, am meisten namentlich Membranenproteine und Virencapsids zu bestimmen.

Wissenschaftler des Zeichens

• William Barlow
• John Desmond Bernal
• William Henry Bragg
• William Lawrence Bragg
• Auguste Bravais
• Martin Julian Buerger
• Muskelkrampf von Francis
• Pierre Curie
• Peter Debye
• Boris Delone
• Jack Dunitz
• Paul Peter Ewald
• Evgraf Stepanovich Fedorov
• Rosalind Franklin
• Georges Friedel
• Paul Heinrich von Groth
• René gerade Haüy
• Carl Hermann
• Johann Friedrich Christian Hessel
• Hahnenfuß von Dorothy Hodgkin
• Robert Huber
• Aaron Klug
• Max von Laue
• Kathleen Lonsdale
• Stockente von Ernest-François
• Charles-Victor Mauguin
• William Hallowes Miller
• Friedrich Mohs
• Paul Niggli
• Arthur Lindo Patterson
• Max Perutz
• Hugo Rietveld
• Jean-Baptiste L. Romé de l'Isle
• Paul Scherrer
• Arthur Moritz Schönflies
• Dan Shechtman
• Nicolas Steno
• Tej P. Singh
• Kipper von Constance
• Christian Samuel Weiss
• Don Craig Wiley
• Ralph Walter Graystone Wyckoff
• Ada Yonath
• George Sheldrick

Siehe auch

• Sich verpacken lassender Atomfaktor
• Kondensierte Sache-Physik
• Kristalltechnik
• Kristallwachstum
• Kristalloptik
• Kristallsystem
• Kristall
• Crystallite
• Kristallisierung bearbeitet
• Datenbank von Crystallographic
• Gruppe von Crystallographic
• Dynamische Theorie der Beugung
• Elektronkristallographie
• Euklidische Flugzeug-Isometrie
• Feste Punkte von Isometrie-Gruppen im Euklidischen Raum
• Bruchkoordinaten
• Gruppenhandlung
• Lasererhitztes Sockel-Wachstum
• Material-Wissenschaft
• Metallurgie
• Mineralogie
• Neutronkristallographie
• NMR Kristallographie
• Neutronbeugung am OPAL
• Neutronbeugung am KRANKEN
• Versetzungsgruppe
• Punkt-Gruppe
• Quasikristall
• Chemie des festen Zustands
• Raumgruppe
• Symmetrische Gruppe

Weiterführende Literatur

• (sich mit Puder-Beugungsdatenanalyse befassend)

Links

• Amerikanische Crystallographic Vereinigung
• Das Lernen der Kristallographie
• Kristallgitter-Strukturen
• Wissenschaftsvertrauensinterviews von Vega auf der Kristallographie Freeview Video interviewen mit Max Pertuz, Rober Huber und Aaron Klug.
• Kommission auf dem Crystallographic-Unterrichten, Druckschriften
• Laboratorium von Ames, US-HIRSCHKUH-Kristallographie-Forschungsmittel
• Internationale Vereinigung der Kristallographie