Krystalografie - Crystallography - Wikipedia

Knihu poezie viz Krystalografie (kniha).
Krystalická pevná látka: obrázek atomového rozlišení titaničitan strontnatý. Jasnější atomy jsou stroncium a tmavší jsou titanové.

Krystalografie je experimentální věda určující uspořádání atomů v krystalických pevných látkách (viz Krystalická struktura ). Slovo "krystalografie" je odvozeno od řecký slova krystallon "studená kapka, zmrzlá kapka", jejíž význam se vztahuje na všechny pevné látky s určitým stupněm průhlednosti, a graphein "psát". V červenci 2012 Spojené národy uznal význam vědy krystalografie prohlášením, že rok 2014 bude Mezinárodním rokem krystalografie.[1]

Před vývojem rentgenové difrakční krystalografie (viz níže), studium krystaly byl založen na fyzickém měření jejich geometrie pomocí a goniometr.[2] To zahrnovalo měření úhlů tváří krystalů vůči sobě navzájem a vůči teoretickým referenčním osám (krystalografické osy) a stanovení symetrie dotyčného krystalu. Poloha každé 3D krystalové plochy v 3D prostoru je vynesena do stereografické sítě, například a Wulffova síť nebo Lambertova síť. The pól na každou tvář je vyneseno na síti. Každý bod je označen svým Millerův index. Konečný graf umožňuje stanovení symetrie krystalu.

Krystalografické metody nyní závisí na analýze difrakce vzory vzorku zaměřené paprskem nějakého typu. Rentgenové záření jsou nejčastěji používány; další použité paprsky zahrnují elektrony nebo neutrony. Krystalografové často výslovně uvádějí typ použitého paprsku, jako v termínech Rentgenová krystalografie, neutronová difrakce a elektronová difrakce. Tyto tři typy záření interagují se vzorkem různými způsoby.

Kvůli těmto různým formám interakce jsou tři typy záření vhodné pro různé krystalografické studie.

Teorie

Fyzika kondenzovaných látek
QuantumPhaseTransition.svg
Fáze  · Fázový přechod  · QCP

S konvenčními zobrazovacími technikami, jako je optická mikroskopie, získání obrazu malého objektu vyžaduje sbírání světla se zvětšením objektiv. Rozlišení jakéhokoli optického systému je omezeno difrakční limit světla, což závisí na jeho vlnové délce. Celková jasnost výsledných krystalografických map hustoty elektronů tedy vysoce závisí na rozlišení difrakčních dat, které lze kategorizovat jako: nízké, střední, vysoké a atomové.[3] Například viditelné světlo má vlnovou délku přibližně 4000 až 7000 ångström, což jsou tři řádově delší než délka typické atomové vazby a atomy samy o sobě (asi 1 až 2 Å). Konvenční optický mikroskop proto nemůže vyřešit prostorové uspořádání atomů v krystalu. K tomu bychom potřebovali záření s mnohem kratšími vlnovými délkami, jako např rentgen nebo neutronové paprsky.

Bohužel zaostření rentgenových paprsků pomocí konvenčních optických čoček může být výzvou. Vědci zaznamenali určitý úspěch při zaostřování rentgenových paprsků mikroskopicky Fresnelovy zónové desky vyrobený ze zlata a odrazem v kritickém úhlu uvnitř dlouhých zúžených kapilár.[4] Difrakční rentgenové nebo neutronové paprsky nemohou být zaostřeny tak, aby vytvářely obrazy, takže struktura vzorku musí být rekonstruována z difrakce vzor.

Difrakční obrazce vyplývají z konstruktu rušení dopadajícího záření (rentgenové záření, elektrony, neutrony), rozptýlené periodickými, opakujícími se vlastnostmi vzorku. Kvůli jejich vysoce uspořádané a opakující se atomové struktuře (Bravaisova mříž ), krystaly difraktují rentgenové paprsky koherentním způsobem, označované také jako Braggova reflexe.

Zápis

Hlavní článek: Millerův index
  • Souřadnice v náměstí závorky jako [100] označuje směrový vektor (v reálném prostoru).
  • Souřadnice v úhelníky nebo krokve jako <100> označit a rodina směrů, které souvisejí s operacemi symetrie. V krychli krystalový systém například, <100> by znamenalo [100], [010], [001] nebo záporný bod některého z těchto směrů.
  • Millerovy indexy v závorky jako (100) označují rovinu krystalové struktury a pravidelná opakování této roviny se zvláštním rozestupem. V kubické soustavě je normální k (hkl) rovině je směr [hkl], ale v případech s nižší symetrií není normální k (hkl) rovnoběžný s [hkl].
  • Indexy v složené závorky nebo rovnátka jako {100} označují rodinu letadel a jejich normály. V kubických materiálech je symetrie činí rovnocennými, stejně jako úhlové závorky označují rodinu směrů. V jiných než kubických materiálech není nutně kolmý na {hkl}.

Techniky

Některé materiály, které byly analyzovány krystalograficky, jako např bílkoviny, nevyskytují se přirozeně jako krystaly. Typicky jsou takové molekuly umístěny do roztoku a ponechány pomalu krystalizovat přes páru difúze. Kapka roztoku obsahující molekulu, pufr a sraženiny se uzavře do nádoby se zásobníkem obsahujícím a hygroskopický řešení. Voda v kapce difunduje do rezervoáru, pomalu zvyšuje koncentraci a umožňuje vytvoření krystalu. Pokud by koncentrace rostla rychleji, molekula by jednoduše sraženina z roztoku, což má za následek spíše neuspořádané granule než uspořádaný a tudíž použitelný krystal.

Jakmile je krystal získán, lze data sbírat pomocí paprsku záření. Ačkoli mnoho univerzit, které se zabývají krystalografickým výzkumem, má své vlastní zařízení na výrobu rentgenových paprsků, synchrotrony se často používají jako rentgenové zdroje, protože tyto zdroje mohou generovat čistší a úplnější vzorce. Synchrotronové zdroje mají také mnohem vyšší intenzitu rentgenových paprsků, takže sběr dat trvá zlomek času, který je obvykle nutný u slabších zdrojů. K identifikaci poloh atomů vodíku se používají doplňkové neutronové krystalografické techniky, protože rentgenové paprsky interagují jen velmi slabě se světelnými prvky, jako je vodík.

Produkce obrazu z difrakčního vzoru vyžaduje sofistikované řešení matematika a často iterativní proces modelování a zdokonalování. V tomto procesu jsou matematicky předpovězené difrakční vzorce hypotetické nebo „modelové“ struktury porovnány se skutečným vzorem generovaným krystalickým vzorkem. V ideálním případě vědci učiní několik počátečních odhadů, které se díky zdokonalení sbíhají ke stejné odpovědi. Modely se zdokonalují, dokud se jejich predikované vzorce neshodují v tak velkém rozsahu, jakého lze dosáhnout bez radikální revize modelu. Jedná se o pečlivý proces, který dnes mnohem usnadňují počítače.

Matematické metody pro analýzu difrakčních dat platí pouze pro vzory, což má za následek pouze tehdy, když se vlny liší od řádných polí. Z tohoto důvodu se krystalografie z větší části vztahuje pouze na krystaly nebo na molekuly, které lze přimět ke krystalizaci kvůli měření. Navzdory tomu lze určité množství molekulární informace odvodit ze vzorů generovaných vlákny a prášky, který sice není tak dokonalý jako pevný krystal, ale může vykazovat určitý stupeň řádu. Tato úroveň řádu může stačit k odvození struktury jednoduchých molekul nebo k určení hrubých rysů složitějších molekul. Například dvojitá šroubovicová struktura DNA byl odvozen z rentgenového difraktogramu, který byl vytvořen vláknitým vzorkem.

Věda o materiálech

Krystalografii používají vědci v oboru materiálů k charakterizaci různých materiálů. U monokrystalů lze účinky krystalického uspořádání atomů často snadno vidět makroskopicky, protože přirozené tvary krystalů odrážejí atomovou strukturu. Kromě toho jsou fyzikální vlastnosti často řízeny krystalickými defekty. Pochopení krystalových struktur je důležitým předpokladem pro pochopení krystalografické vady. Materiály se většinou nevyskytují jako jediný krystal, ale v polykrystalické formě (tj. Jako agregát malých krystalů s různou orientací). Z tohoto důvodu prášková difrakce metoda, která bere difrakční obrazce polykrystalických vzorků s velkým počtem krystalů, hraje důležitou roli ve strukturním stanovení.

S krystalografií souvisí také další fyzikální vlastnosti. Například minerály v jíl tvoří malé, ploché, destičkovité struktury. Jíl může být snadno deformován, protože částice podobné destičkám mohou klouzat podél sebe v rovině desek, přesto zůstávají pevně spojeny ve směru kolmém na desky. Tyto mechanismy lze studovat krystalograficky textura Měření.

V dalším příkladu žehlička transformuje z a centrovaný na tělo (bcc) struktura na a obličejově centrovaný kubický (fcc) struktura s názvem austenit když je zahřátý. Struktura fcc je uzavřená struktura na rozdíl od struktury bcc; když tedy dojde k této transformaci, objem železa klesá.

Krystalografie je užitečná při fázové identifikaci. Při výrobě nebo používání materiálu je obecně žádoucí vědět, jaké sloučeniny a jaké fáze jsou v materiálu přítomné, protože jejich složení, struktura a proporce ovlivní vlastnosti materiálu. Každá fáze má charakteristické uspořádání atomů. Rentgenovou nebo neutronovou difrakci lze použít k identifikaci, které vzory jsou přítomny v materiálu, a tedy které sloučeniny jsou přítomny. Krystalografie pokrývá výčet vzorů symetrie, které mohou být vytvořeny atomy v krystalu, a proto souvisí s teorií a geometrií skupin.

Biologie

Rentgenová krystalografie je primární metoda pro stanovení molekulárních konformací biologických makromolekuly, zejména protein a nukleové kyseliny jako DNA a RNA. Ve skutečnosti byla dvojitá šroubovicová struktura DNA odvozena z krystalografických dat. První krystalová struktura makromolekuly byla vyřešena v roce 1958, trojrozměrný model molekuly myoglobinu získaný rentgenovou analýzou.[5] The Proteinová datová banka (PDB) je volně dostupné úložiště pro struktury proteinů a dalších biologických makromolekul. Počítačové programy jako např RasMol, Pymol nebo VMD lze použít k vizualizaci biologických molekulárních struktur.Neutronová krystalografie se často používá k upřesnění struktur získaných rentgenovými metodami nebo k řešení specifické vazby; metody jsou často považovány za doplňkové, protože rentgenové paprsky jsou citlivé na polohy elektronů a nejsilněji se rozptylují od těžkých atomů, zatímco neutrony jsou citlivé na polohy jader a rozptylují se silně i mimo mnoho světelných izotopů, včetně vodíku a deuteria.Elektronová krystalografie byl použit k určení některých proteinových struktur, zejména membránové proteiny a virové kapsidy.

Referenční literatura

The Mezinárodní tabulky pro krystalografii[6] je řada osmi knih, která nastiňuje standardní notace pro formátování, popis a testování krystalů. Řada obsahuje knihy, které pokrývají analytické metody a matematické postupy pro stanovení organické struktury pomocí rentgenové krystalografie, elektronové difrakce a neutronové difrakce. Mezinárodní tabulky jsou zaměřeny na postupy, techniky a popisy a neuvádějí fyzikální vlastnosti samotných jednotlivých krystalů. Každá kniha má přibližně 1 000 stran a její názvy jsou:

Svazek A - Symetrie vesmírných skupin,
Svazek A1 - Vztahy symetrie mezi vesmírnými skupinami,
Svazek B - Vzájemný prostor,
Svazek C - Matematické, fyzikální a chemické tabulky,
Svazek D - Fyzikální vlastnosti krystalů,
Svazek E - Subperiodické skupiny,
Svazek F - Krystalografie biologických makromolekul, a
Svazek G - Definice a výměna krystalografických dat.

Vědci za zmínku

Viz také

Reference

  1. ^ Oznámení OSN „Mezinárodní rok krystalografie“. iycr2014.org. 12. července 2012
  2. ^ „Evoluce goniometru“. Příroda. 95 (2386): 564–565. 1915-07-01. Bibcode:1915Natur..95..564.. doi:10.1038 / 095564a0. ISSN  1476-4687.
  3. ^ Wlodawer, Alexander; Menší, Wladek; Dauter, Zbigniew; Jaskolski, Mariusz (leden 2008). „Proteinová krystalografie pro nekrystalografy nebo jak získat to nejlepší (ale ne více) z publikovaných makromolekulárních struktur“. FEBS Journal. 275 (1): 1–21. doi:10.1111 / j.1742-4658.2007.06178.x. ISSN  1742-464X. PMC  4465431. PMID  18034855.
  4. ^ Snigirev, A. (2007). „Dvoukrokové tvrdé rentgenové zaostřování kombinující Fresnelovu zónovou desku a jednoodrazovou elipsoidní kapiláru“. Journal of Synchrotron Radiation. 14 (Pt 4): 326–330. doi:10.1107 / S0909049507025174. PMID  17587657.
  5. ^ Kendrew, J. C .; Bodo, G .; Dintzis, H. M .; Parrish, R. G .; Wyckoff, H .; Phillips, D. C. (1958). „Trojrozměrný model molekuly myoglobinu získaný rentgenovou analýzou“. Příroda. 181 (4610): 662–6. Bibcode:1958Natur.181..662K. doi:10.1038 / 181662a0. PMID  13517261. S2CID  4162786.
  6. ^ Prince, E. (2006). International Tables for Crystallography Vol. C: Matematické, fyzikální a chemické tabulky. Wiley. ISBN  978-1-4020-4969-9.

externí odkazy