Crystallography

Crystallography je experimentální věda určovat uspořádání atomů v pevných látkách. Ve starším použití, to je vědecký výzkum krystalů. Slovo “crystallography” je odvozen z řeckých slov crystallon = chladný pokles / zmrzlý pokles, s jeho významem rozšiřovat se do všech pevných látek s nějakou mírou transparentnosti a graphein = psát.

Před vývojem rentgenové difrakce crystallography (vidí dolů), studie o krystalech byla založená na geometrii krystalů. Toto zahrnuje měření úhlů krystalu tváře příbuzné s teoretickými nulovými osami (crystallographic osy), a zakládat symetrii krystalu v pochybnost. Bývalý je uskutečněn používat goniometer. Pozice ve 3D době každé tváře krystalu je osnována na síti stereographic, např. Wulff vsítí nebo Lambert vsítí. Ve skutečnosti, tyč ke každé tváři je osnována na síti. Každý bod je označen jeho Miller indexem. Finální spiknutí dovolí symetrii krystalu být založen.

Nepřehlédněte: Tato stránka obsahuje strojový překlad textu z anglické encyklopedie Wikipedia. Pokud budou některé pasáže špatně srozumitelné, zkuste se podívat i na text v originále, který najdete pod odkazem Crystallography. Překlad byl vytvořen pomocí překladače Eurotran.

Crystallographic metody nyní závisí na analýze difrakce vzory, které se vynoří ze vzorku, který je zaměřen paprskem některých píší. Kladina není vždy elektromagnetické záření, dokonce ačkoli Rentgeny být nejvíce obyčejný výběr. Pro některé účely elektrony nebo neutrony být používán, který je možný kvůli vlastnostem vlny částeček. Crystallographers často výslovně říci druh osvětlení použitý když se odkazuje na metodu, jak s požadavky Rentgenová difrakce, difrakce neutronu a difrakce elektronu.

Tyto tři druhy radiace se ovlivňují se vzorkem v různých způsobech. Rentgeny ovlivňují se s prostorovou distribucí elektronů valence, zatímco elektrony jsou nosiči proudu a proto se cítí jako úplná poplatková distribuce jak atomových jádr tak obklopujících elektronů. Neutrony jsou rozptýleny atomovými jádry přes silné nukleární síly, ale navíc, magnetický moment neutronů je nenulový. Oni jsou proto také rozptýlení magnetickými poli. Když neutrony jsou rozptýleny od vodíku-obsahovat materiály, oni produkují vzory difrakce s vysokými hlučnostma. Nicméně, materiál může někdy být zpracovaný k vodíku náhrady pro deuterium. Protože těchto různých forem vzájemného ovlivňování, tři druhy radiace jsou vhodné k různým crystallographic studiím.

Teorie

Představa o malém objektu je obvykle tvořena tím, že používá čočku, aby zaostřil poučnou radiaci, jak je hotový s paprsky viditelného spektra v mikroskopii světla. Nicméně, vlnová délka viditelného světla (asi 4000 k 7000 Angstroms) je tři závažnosti delší pak délka typických kovalentních vazeb a atomů sám (o 1 k 2 Angstroms). Proto, dostaní informace o plošném řešení atomů vyžaduje použití radiace s kratšími vlnovými délkami, takový jako rentgeny. Zaměstnávat kratší vlnové délky implikovaný opouštět mikroskopii a pravdivý imaging, nicméně, protože tam existuje žádný materiál od kterého čočka schopná zaostřování tento druh radiace může být vytvořen. (to říkalo, vědci přiměli nějaký úspěch zaostřit rentgeny s mikroskopickými Fresnel zónovýma destičkami vyrobenými ze zlata, a kritický-nastavit odrazový vnitřek dlouho zužoval kapiláry [1 ]). Diffracted rentgenuje paprsky nemohou být focussed k obrazům produkce, tak struktura vzorku musí být rekonstruována od vzoru difrakce. Ostré rysy ve vzoru difrakce vynoří se z periodický, opakovat strukturu ve vzorku, který být často velmi silný kvůli soudržnému odrazu mnoha fotonů od mnoha pravidelně rozložených příkladů podobné struktury, zatímco non-periodické součásti struktury skončí rozptýlený (a obvykle slabý) rysy difrakce.

Protože jejich velmi spořádaná a opakovaná struktura, krystaly dají difrakci vzory ostrých Bragg odrazových bodů, a být ideální pro rozebrání struktury pevných látek.

Notace

Viďte Miller index pro plnou léčbu tohoto tématu.

Osy v hranaté závorky takový jak [100] naznačovat vektor směru (ve skutečném prostoru).

Osy v lomených závorkách nebo krokvích takový jak < 100 > naznačovat rodinu směrů, které jsou spřízněné operacemi symetrie. V kubické krystalové soustavě například, < 100 > by mínil [100], [010], [001] nebo zápor některý těch směrů.

Indexy mlynáře v závorce takový jak (100) naznačovat letadlo krystalové soustavy a pravidelná opakování toho letadla se zvláštním rozestupem. V krychlové soustavě, normální k (hkl) letadlu je směr [hkl], ale v nižší-případy symetrie, normální k (hkl) není souběžný s [hkl].

Indexy ve složených závorkách nebo šlích takový jak {100} naznačovat rodinu letadel a jejich normals, které jsou ekvivalent kvůli operacím symetrie, hodně cesta kulaté závorky naznačují rodinu nasměrování.

Technika

Některé materiály studovaly crystallography používání, bílkoviny například, nenastanou přirozeně jako krystaly. Typicky, takové molekuly jsou umístěny v roztoku a povolil krystalizovat se přes dny, týdny nebo měsíce přes rozšiřování páry. Kapka řešení obsahovat molekulu, vyrovnávací paměť a precipitants je uzavřel nádobu s jezerem obsahovat hydroskopické řešení. Voda na poklesu šíří se k jezeru, pomalu zvýšit koncentraci a dovolit krystalu formu. Jestliže koncentrace byla ke svahu více rychle, molekula by prostě urychlila ven řešení, končit chaotickými zrníčky spíše než řádný a od této doby použitelný krystal.

Jednou krystal je získán, data mohou být sebrané použití paprsku radiace. Ačkoli mnoho univerzit, které se zabývají výzkumem crystallographic má jejich vlastní rentgen produkovat vybavení, synchrotrons jsou často používány jako zdroje záření, protože čistější a více kompletních vzorů takové zdroje mohou vytvářet. Synchrotron zdroje také mají mnohem vyšší intenzitu paprsků rentgenu, tak kolekce dat vezme zlomek času normálně nutný u slabších zdrojů.

Produkovat obraz od difrakce vzor vyžaduje důmyslnou matematiku a často opakovací proces modelování a refinement. V tomto procesu, matematicky předpovídaná difrakce vzory předpokládaný nebo “modelová” struktura být přirovnáván ke skutečnému vzoru vytvořenému krystalickým vzorkem. Ideálně, výzkumníci dělají několik počátečních odhadů, který přes refinement všichni se soustředí do stejné odpovědi. Modely jsou očištěny, než jejich předpovídané vzory hodí se k jak velký míra jak moci být dosažený bez radikální revize modelu. Toto je pečlivý proces, vyrobený hodně snadnější dnes počítači.

Matematické metody pro analýzu dat difrakce jen platí o vzorech, který ve výsledku otočení jediný když vlny diffract od řádných sad. Proto crystallography žádá o nejvíce se rozdělit jediný ke krystalům, nebo k molekulám, které mohou být přemluveny krystalizovat se pro příčinu měření. V zášti toto, jisté množství molekulárních informací může být odvozeno od vzorů, které jsou vytvořeny vlákny a prachů, která chvíle ne jak dokonalý jako pevný krystal, smět vystavit míru objednávky. Tato úroveň objednávky může být dostatečná odvodit strukturu jednoduchých molekul, nebo určovat hrubé rysy komplikovanějších molekul (dvojitý-šroubovicová struktura DNA, například, byl odvozen od vzoru rentgenové difrakce, který byl vytvořen vláknitým vzorkem).

Crystallography v inženýrství materiálů

Crystallography je nástroj, který je často zaměstnaný u vědců materiálů. V jednoduchých krystalech, efekty krystalické uspořádání atomů jde často snadno vidět macroscopically, protože přirozené tvary krystalů odrážejí atomovou strukturu. Navíc, fyzikální vlastnosti jsou často kontrolované krystalickými defekty. Chápání krystalových soustav je důležitý předpoklad pro rozumějící crystallographic defekty. Většinou, materiály nevyskytují se v jeden krystalický, ale polytechnika-krystalická forma, takový to prach metoda difrakce hraje nejdůležitější roli ve strukturálním rozhodnutí.

Množství jiných fyzikálních vlastností být spojen crystallography. Například, nerosty v jílové formě malý, ploché, platelike struktury. Clay může být snadno deformovaný, protože platelike částečky mohou klouzat podél každého jiný v letadle talířů, přesto zůstat silně připojený ve směru kolmém k talířům. Takové mechanismy mohou být studovány crystallographic texturovýma měřeními.

V dalším příkladě, železo transformuje z těla-koncentrovaný krychlový (bcc) struktura ke tváři-koncentrovaný krychlový (fcc) struktura volala austenite, když to je ohříváno. Fcc struktura je blízko-sbalil strukturu a bcc struktura není, který vysvětlí to proč objem železa se sníží, když tato transformace nastane.

Crystallography je užitečný v identifikaci fáze. Když vykonává nějaký proces na materiálu, to může být toužil zjistit co směsi a jaké fáze jsou přítomní v materiálu. Každá fáze má charakteristické uspořádání atomů. Techniky jako rentgenová difrakce mohou být používány poznat kterého vzory jsou přítomné v materiálu a tak které směsi jsou přítomné (poznámka: určení “fází” uvnitř materiál by neměl být zmaten více obecným problémem “rozhodnutí fáze,” který se odkazuje na fázi vln jak oni diffract od letadel uvnitř krystalu a který je nutný krok ve výkladu komplikované difrakce vzory).

Crystallography pokryje výčet vzorů symetrie, které mohou být vytvořeny atomy v krystalu a pro toto důvod má vztah k teorii skupiny a geometrii. Viďte skupinu symetrie.

Biologie

Crystallography rentgenu je primární metoda na stanovení molekulární konformace biologický macromolecules, zvláště bílkovina a kyseliny nucleic takový jak DNA a RNA. Ve skutečnosti, dvojitý-šroubovicová struktura DNA byla odvozena z crystallographic dat. První krystalová struktura macromolecule byla řešena v roce 1958 (Kendrew, J.C. al et. (1958) trojrozměrný model molekuly myoglobin dostalé rentgenovou analýzou (Příroda 181, 662 – 666). Bílkovinová databanka (PDB) je volně dostupná úschovna pro struktury bílkoviny a jiný biologický macromolecules. Počítačové programy jako RasMol nebo Pymol moci být používán si představit biologické molekulární struktury.

Crystallography elektronu byl použitý určit některé bílkovinové struktury, nejvíce pozoruhodně bílkoviny blány a virové capsids.

Vědci poznámky

Viz též

Další četba

Hoří, G.; Glazer, A.M. (1990). Skupiny prostoru pro vědce a inženýry (2. ed.). Boston: Akademický tisk, Inc. ISBN 0-12-145761-3.
Clegg, W (1998). Rozhodnutí krystalové soustavy (Oxford chemický základ). Oxford: Oxford univerzitní tiskárna. ISBN 0-19-855-901-1.
Drenth, J (1999). Principy bílkoviny rentgenují Crystallography. New York: Springer-Verlag. ISBN 0-387-98587-5.
Giacovazzo, C; Monako HL, Viterbo D, Scordari F, Gilli G, Zanotti G, a Catti M (1992). Základy Crystallography. Oxford: Oxford univerzitní tiskárna. ISBN 0-19-855578-4.
Glusker, JP; Lewis M, Rossi M (1994). Crystal uspořádá test na lékárny a biology. New York: VCH publikovatelé. ISBN 0-471-18543-4.
O'Keeffe, M.; Hyde, B.G. (1996). Krystalové soustavy; I. vzory a symetrie. Washington, DC: Mineralogical společnost Ameriky, série monografie. ISBN 0-939950-40-5.

Aplikoval výpočetní prachovou difrakci analýza dat

Mladý, R.A., ed (1993). Rietveld metoda. Oxford: Oxford univerzitní tiskárna a mezinárodní svaz Crystallography. ISBN 0-19-855577-6.