Кристаллография - Crystallography - Wikipedia

Поэзия кітабы үшін қараңыз Кристаллография (кітап).
Кристалды қатты зат: атомдық ажыратымдылық бейнесі стронций титанаты. Жарқын атомдар стронций ал қараңғы - титан.

Кристаллография - қатты денелердегі атомдардың орналасуын анықтайтын тәжірибелік ғылым (қараңыз) кристалдық құрылым ). «Кристаллография» сөзі Грек сөздер кристалл «суық тамшы, мұздатылған тамшы», оның мағынасы барлық қатты денелерге мөлдірлік деңгейіне дейін жетеді және графейн «жазу». 2012 жылдың шілдесінде Біріккен Ұлттар 2014 жыл Халықаралық кристаллография жылы болатындығын жариялап, кристаллография ғылымының маңыздылығын мойындады.[1]

Рентгендік дифракциялық кристаллографияны дамытпас бұрын (төменде қараңыз), зерттеу кристалдар а көмегімен геометрияның физикалық өлшеулеріне негізделген гониометр.[2] Бұл кристалды беттердің бұрыштарын бір-біріне және теориялық сілтемелерге (кристаллографиялық осьтерге) қатысты өлшеуді және симметрия қарастырылып отырған кристалдың Әрбір кристалды беттің 3D кеңістігіндегі орналасуы a сияқты стереографиялық торға салынған Вульф торы немесе Ламберт торы. The полюс тордың әр бетіне кескінделген. Әр нүкте онымен белгіленеді Миллер индексі. Соңғы сызба кристалдың симметриясын орнатуға мүмкіндік береді.

Кристаллографиялық әдістер енді анализге тәуелді дифракция қандай да бір түрдегі сәулеге бағытталған үлгі үлгілері. Рентген сәулелері ең жиі қолданылады; басқа сәулелер жатады электрондар немесе нейтрондар. Кристаллографтар көбінесе терминдердегідей сәуленің түрін нақты айтады Рентгендік кристаллография, нейтрондардың дифракциясы және электрондардың дифракциясы. Сәулеленудің осы үш түрі үлгімен әр түрлі әсерлеседі.

Әр түрлі өзара әрекеттесу формаларының арқасында сәулеленудің үш түрі әртүрлі кристаллографиялық зерттеулерге жарамды.

Теория

Конденсацияланған зат физикасы
QuantumPhaseTransition.svg
Кезеңдер  · Фазалық ауысу  · QCP

Сияқты әдеттегі бейнелеу әдістерімен оптикалық микроскопия, кішкентай заттың кескінін алу үшін үлкейткішпен жарық жинау қажет линза. Кез-келген оптикалық жүйенің ажыратымдылығы дифракция-шегі оның толқын ұзындығына байланысты жарық. Осылайша, алынған электрондардың тығыздығының кристаллографиялық карталарының жалпы айқындылығы дифракциялық мәліметтердің шешілуіне өте тәуелді, оларды төмен, орташа, жоғары және атомдық деп жіктеуге болады.[3] Мысалы, көрінетін жарықтың толқын ұзындығы шамамен 4000-нан 7000-ға дейін болады ångström, бұл үшеу реттік шамалар ұзындығынан ұзын атомдық байланыстар және атомдар өздері (шамамен 1 - 2 Å). Сондықтан кәдімгі оптикалық микроскоп кристалдағы атомдардың кеңістіктегі орналасуын шеше алмайды. Ол үшін бізге толқын ұзындығы жағынан анағұрлым қысқа радиация қажет болады Рентген немесе нейтронды сәулелер.

Өкінішке орай, әдеттегі оптикалық линзалармен рентген сәулелерін фокустау қиынға соғуы мүмкін. Ғалымдар рентген сәулелерін микроскопиялық фокуста сәтті өткізді Френель зонасының тақталары алтыннан және ұзын конустық капиллярлар ішіндегі сыни бұрыштық шағылысу арқылы жасалған.[4] Кесілген рентгендік немесе нейтрондық сәулелерді кескіндер жасау үшін фокустау мүмкін емес, сондықтан құрылым құрылымын қайта құру керек дифракция өрнек.

Дифракциялық заңдылықтар конструктивтіден туындайды кедергі Үлгінің периодты, қайталанатын ерекшеліктері бойынша шашыраңқы сәулеленудің (рентген, электрон, нейтрон) сәулеленуі. Олардың жоғары реттелген және қайталанатын атом құрылымы арқасында (Bravais торы ), кристалдар рентген сәулелерін когерентті түрде дифракциялайды, олар деп те аталады Брэггтің көрінісі.

Ескерту

Негізгі мақала: Миллер индексі
  • Координаттар шаршы жақша сияқты [100] бағыт векторын белгілеңіз (нақты кеңістікте).
  • Координаттар бұрыштық жақшалар немесе шеврондар сияқты <100> белгілеу а отбасы симметрия операцияларымен байланысты бағыттар. Кубта кристалдық жүйе Мысалға, <100> [100], [010], [001] немесе осы бағыттардың кез келгенінің теріс мағынасын білдіреді.
  • Миллер индекстері жылы жақша сияқты (100) кристалды құрылымның жазықтығын және сол жазықтықтың белгілі бір аралықпен тұрақты қайталануын белгілеңіз. Кубтық жүйеде қалыпты (hkl) жазықтығына [hkl] бағыты, бірақ төменгі симметриялы жағдайда, (hkl) -ге [hkl] параллель емес.
  • Индекстер бұйра жақшалар немесе жақша сияқты {100} ұшақтар және олардың қалыпты тұқымдастарын белгілеңіз. Текше материалдарда симметрия оларды эквивалентті етеді, дәл сол сияқты бұрыштық жақша бағыттар тобын белгілейді. Текше емес материалдарда міндетті түрде {hkl} перпендикуляр емес.

Техника

Кристаллографиялық талданған кейбір материалдар, мысалы белоктар, табиғи түрде кристалдар ретінде пайда болмайды. Әдетте, мұндай молекулалар ерітіндіге салынып, бу арқылы баяу кристалдануға мүмкіндік береді диффузия. Құрамында молекуласы, буфері және тұндырғыштары бар ерітіндінің тамшысы а бар сыйымдылығы бар ыдыста тығыздалады гигроскопиялық шешім. Тамшыдағы су резервуарға таралады, концентрациясы баяу артып, кристалдың пайда болуына мүмкіндік береді. Егер концентрация тез көтерілсе, молекула жай болар еді тұнба ерітіндіден, нәтижесінде реттелген, демек, қолдануға жарамды кристалдан гранулалар пайда болады.

Кристалды алғаннан кейін, радиация сәулесін пайдаланып мәліметтерді жинауға болады. Кристаллографиялық зерттеулермен айналысатын көптеген университеттерде өздерінің рентген шығаратын жабдықтары болғанымен, синхротрондар рентген көздері ретінде жиі пайдаланылады, өйткені олар таза және толық үлгілерге ие бола алады. Синхротрон көздерінің рентген сәулелерінің қарқындылығы едәуір жоғары, сондықтан деректерді жинау әлсіз көздерде қажет уақыттың бір бөлігін алады. Қосымша нейтронды кристаллографияның әдістері сутегі атомдарының орналасуын анықтау үшін қолданылады, өйткені рентген сәулелері сутек сияқты жеңіл элементтермен өте әлсіз әрекеттеседі.

Дифракция үлгісінен кескін жасау күрделі талап етеді математика және көбінесе қайталанатын процесс модельдеу және нақтылау. Бұл процесте гипотезаланған немесе «модель» құрылымының математикалық болжанған дифракциялық заңдылықтары кристалды үлгіде пайда болған нақты үлгісімен салыстырылады. Ең дұрысы, зерттеушілер бірнеше алғашқы болжамдар жасайды, оларды нақтылау арқылы барлығы бір жауапқа келеді. Модельдер олардың болжамды үлгілері модельді түбегейлі қайта өңдеусіз қол жеткізуге болатын дәрежеге сәйкес келгенше нақтыланады. Бұл бүгінде компьютерлердің көмегімен едәуір жеңілдетілген күрделі процесс.

Дифракциялық мәліметтерді талдаудың математикалық әдістері тек қолданылады өрнектер, бұл өз кезегінде толқындар реттелген массивтерден өзгеше болған кезде ғана пайда болады. Демек, кристаллография көбінесе кристалдарға немесе өлшеу үшін кристалдану үшін коаксирленген молекулаларға ғана қатысты. Осыған қарамастан, белгілі бір мөлшерде молекулалық ақпарат талшықтардан пайда болатын заңдылықтардан шығаруға болады ұнтақтар ол қатты кристалл сияқты кемелді болмаса да, белгілі бір дәрежеде орналасуы мүмкін. Бұл реттілік деңгейі қарапайым молекулалардың құрылымын шығаруға немесе күрделі молекулалардың дөрекі ерекшеліктерін анықтауға жеткілікті болуы мүмкін. Мысалы, ДНҚ талшықты сынамамен жасалған рентгендік дифракция үлгісінен шығарылды.

Материалтану

Кристаллографияны материалтанушылар әр түрлі материалдарға сипаттама беру үшін қолданады. Жалғыз кристалдарда атомдардың кристалды орналасуының әсерін көбінесе макроскопиялық түрде байқауға болады, өйткені кристалдардың табиғи формалары атом құрылымын көрсетеді. Сонымен қатар, физикалық қасиеттер көбінесе кристалдық ақаулармен басқарылады. Кристалдық құрылымдарды түсіну - түсінудің маңызды алғышарты кристаллографиялық ақаулар. Негізінен материалдар бір кристалл түрінде емес, поли-кристалды түрінде кездеседі (яғни, әртүрлі бағыттағы шағын кристалдардың жиынтығы ретінде). Осыған байланысты ұнтақ дифракциясы кристалдары көп поликристалды үлгілердің дифракциялық заңдылықтарын алатын әдіс құрылымдық анықтауда маңызды рөл атқарады.

Басқа физикалық қасиеттері де кристаллографиямен байланысты. Мысалы, минералдар саз шағын, жалпақ, тақта тәрізді құрылымдар құрайды. Балшық оңай деформациялануы мүмкін, өйткені тақта тәрізді бөлшектер тақтайшалар жазықтығында бір-бірімен сырғанауы мүмкін, бірақ плиталарға перпендикуляр бағытта берік байланысқан күйінде қалады. Мұндай механизмдерді кристаллографиялық әдіспен зерттеуге болады құрылым өлшемдер.

Басқа мысалда, темір а-дан өзгереді денеге бағытталған куб (bcc) құрылымды а бетіне бағытталған куб (fcc) құрылымы деп аталады аустенит ол қызған кезде. FCC құрылымы - bcc құрылымына қарағанда жақын орналасқан құрылым; осылайша бұл өзгеріс болған кезде темірдің мөлшері азаяды.

Кристаллография фазаны идентификациялауда пайдалы. Материалды дайындау немесе пайдалану кезінде, әдетте, қандай қосылыстардың және қандай фазалардың бар екенін білген жөн, өйткені олардың құрамы, құрылымы мен пропорциясы материалдың қасиеттеріне әсер етеді. Әр фаза атомдардың өзіне тән орналасуына ие. Рентгендік немесе нейтрондық дифракцияны материалда қандай заңдылықтар бар екенін, осылайша қандай қосылыстар бар екенін анықтауға болады. Кристаллография атомдар кристалда құра алатын симметрия заңдылықтарын санауды қамтиды және осы себепті топтық теория мен геометрияға байланысты.

Биология

Рентгендік кристаллография биологиялықтың молекулалық конформациясын анықтаудың негізгі әдісі болып табылады макромолекулалар, атап айтқанда ақуыз және нуклеин қышқылдары сияқты ДНҚ және РНҚ. Шындығында, ДНҚ-ның екі спиральды құрылымы кристаллографиялық мәліметтерден шығарылды. Макромолекуланың алғашқы кристалдық құрылымы рентгендік анализ нәтижесінде алынған миоглобин молекуласының үш өлшемді моделі 1958 жылы шешілді.[5] The Ақуыздар туралы мәліметтер банкі (PDB) - ақуыздардың және басқа биологиялық макромолекулалардың құрылымдары үшін еркін қол жетімді репозиторий. Сияқты компьютерлік бағдарламалар РасМол, Пимол немесе VMD биологиялық молекулалық құрылымдарды визуалдау үшін қолдануға болады.Нейтронды кристаллография рентгендік әдістермен алынған құрылымдарды нақтылауға немесе белгілі бір байланысты шешуге көмектесу үшін жиі қолданылады; әдістер көбінесе бірін-бірі толықтырушы ретінде қарастырылады, өйткені рентген сәулелері электрондардың орналасуына сезімтал және ауыр атомдардан қатты шашырайды, ал нейтрондар ядро ​​позицияларына сезімтал және көптеген жеңіл изотоптардан, соның ішінде сутегі мен дейтерийден қатты шашырайды.Электронды кристаллография кейбір ақуыз құрылымдарын анықтау үшін қолданылған, ең бастысы мембраналық ақуыздар және вирустық капсидтер.

Анықтамалық әдебиет

The Кристаллографияның халықаралық кестелері[6] - бұл сегіз кітаптан тұратын, кристаллдарды пішімдеуге, сипаттауға және сынауға арналған стандартты белгілер көрсетілген. Бұл топтамада талдау әдістері мен рентгендік кристаллография, электрондар дифракциясы және нейтрондар дифракциясы, бірақ органикалық құрылымды анықтауға арналған математикалық процедуралар қамтылған кітаптар бар. Халықаралық кестелер процедураларға, әдістерге және сипаттамаларға бағытталған және жеке кристалдардың физикалық қасиеттерін тізімдемейді. Әр кітап шамамен 1000 беттен тұрады және кітаптардың атаулары:

Vol A - Ғарыштық топтық симметрия,
A1 томы - Ғарыштық топтар арасындағы симметрия қатынастары,
Vol B - Өзара кеңістік,
C томы - Математикалық, физикалық және химиялық кестелер,
D D - Кристалдардың физикалық қасиеттері,
E E - Субпериодтық топтар,
Vol F - Биологиялық макромолекулалардың кристаллографиясы, және
Vol G - Кристаллографиялық мәліметтердің анықтамасы және алмасуы.

Ғалымдар

Сондай-ақ қараңыз

Әдебиеттер тізімі

  1. ^ БҰҰ-ның «Халықаралық кристаллография жылы» туралы хабарлауы. iycr2014.org. 12 шілде 2012
  2. ^ «Гониометрдің эволюциясы». Табиғат. 95 (2386): 564–565. 1915-07-01. Бибкод:1915 ж .. табиғат ... 95..564.. дои:10.1038 / 095564a0. ISSN  1476-4687.
  3. ^ Влодауэр, Александр; Кіші, Владек; Даутер, Збигнев; Яскольски, Мариуш (қаңтар 2008). «Кристаллографтарға емес ақуызды кристаллография немесе жарияланған макромолекулалық құрылымдардан жақсысын қалай алуға болады (бірақ көп емес)». FEBS журналы. 275 (1): 1–21. дои:10.1111 / j.1742-4658.2007.06178.x. ISSN  1742-464X. PMC  4465431. PMID  18034855.
  4. ^ Снигирев, А. (2007). «Френель зонасының тақтасы мен бір серпімді эллипсоидты капиллярды біріктіретін екі сатылы қатты рентген». Синхротронды сәулелену журналы. 14 (Pt 4): 326-330. дои:10.1107 / S0909049507025174. PMID  17587657.
  5. ^ Кендру, Дж. С .; Бодо, Г .; Динцис, Х. М .; Париш, Р.Г .; Уикофф, Х .; Филлипс, Д.С (1958). «Миоглобин молекуласының үш өлшемді моделі рентген анализі нәтижесінде алынған». Табиғат. 181 (4610): 662–6. Бибкод:1958 ж.181..662K. дои:10.1038 / 181662a0. PMID  13517261. S2CID  4162786.
  6. ^ Ханзада, Е. (2006). Халықаралық Кристаллография кестелері Т. C: Математикалық, физикалық және химиялық кестелер. Вили. ISBN  978-1-4020-4969-9.

Сыртқы сілтемелер