X射线晶体学

X射线晶体学，是实验科学确定的原子和分子结构的晶体，其中所述晶体结构导致入射光束的X射线，以DIFFRACT到许多特定的方向。通过测量这些衍射束的角度和强度，晶体学家可以产生晶体内电子密度的三维图像。根据该电子密度，可以确定原子在晶体中的平均位置，以及它们的化学键、晶体无序度和各种其他信息。

由于许多材料可以形成晶体（例如盐、金属、矿物、半导体以及各种无机、有机和生物分子），因此X射线晶体学已成为许多科学领域发展的基础。在使用的最初几十年中，该方法确定了原子的大小，化学键的长度和类型以及各种材料（尤其是矿物和合金）之间的原子尺度差异。该方法还揭示了许多生物分子的结构和功能，包括维生素、药物、蛋白质和核酸（如DNA）。X射线晶体学仍然是表征新材料的原子结构和辨别其他实验看起来相似的材料的主要方法。X射线晶体结构还可以解释材料的异常电子或弹性特性，阐明化学相互作用和过程，或用作设计抗疾病药物的基础。

在单晶X射线衍射测量中，将晶体安装在测角仪上。测角仪用于将晶体定位在选定的方向。晶体用精细聚焦的X射线单色光束照射，从而产生规则分布的斑点（称为反射）的衍射图样。使用傅立叶变换的数学方法，结合样品已知的化学数据，将在不同方向上拍摄的二维图像转换为晶体内电子密度的三维模型。如果晶体太小或内部组成不够均匀，则可能导致分辨率差（模糊性）甚至错误。

X射线晶体学与确定原子结构的其他几种方法有关。电子或中子的散射可以产生类似的衍射图，傅里叶变换也可以解释这些衍射图。如果无法获得足够大小的单晶，则可以采用其他各种X射线方法获得不太详细的信息；这些方法包括纤维衍射、粉末衍射和（如果样品未结晶）小角度X射线散射（SAXS）。如果所研究的材料仅以纳米晶体粉末形式提供或结晶度较差，则采用电子晶体学方法 可用于确定原子结构。

X射线晶体学使人们对化学键和非共价相互作用有了更好的了解。最初的研究揭示了原子的典型半径，并确认了许多化学键合的理论模型，例如金刚石结构中碳的四面体键合，在六氯铂酸铵（IV）中观察到的金属的八面体键合，并在平面碳酸酯基团和芳族分子中观察到共振。凯瑟琳·朗斯代尔（Kathleen Lonsdale）1928年的六甲基苯结构建立了苯的六边形对称性并显示出脂族C–C键和芳族C–C键之间键长的明显差异；这一发现导致了化学键之间共振的想法，这对化学的发展产生了深远的影响。她的结论是威廉·亨利·布拉格提出的，他于1921年发表了基于其他分子的萘和蒽的模型，这是分子替代的早期形式。

同样在1920年代，Victor Moritz Goldschmidt和后来的Linus Pauling制定了消除化学上不太可能的结构并确定原子相对大小的规则。这些规则导致了板钛矿的结构（1928年）和对二氧化钛的金红石，板钛矿和锐钛矿形式的相对稳定性的理解。

两个键合原子之间的距离是键合强度及其键序的敏感度量; 因此，X射线晶体学研究导致发现了无机化学中更奇特的键合类型，例如金属-金属双键金属-金属四键和三中心二电子键。X射线晶体学（严格地说是非弹性康普顿散射实验）也为氢键的部分共价特征提供了证据。在有机金属化学领域，的透视结构的二茂铁发起的科学研究夹心化合物，而的蔡斯盐刺激研究“背面粘合”和金属-π配合物。最后，X射线晶体学在超分子化学的发展中，尤其是在澄清冠醚的结构和主体-客体化学原理方面具有开拓性作用。

X射线衍射是催化剂开发中非常强大的工具。常规进行异位测量，以检查材料的晶体结构或阐明新结构。原位实验对反应条件下催化剂的结构稳定性有全面的了解。

在材料科学中，已经使用单晶方法分析了许多复杂的无机和有机金属系统，例如富勒烯，金属卟啉和其他复杂的化合物。由于多晶型物的最新问题，单晶衍射也用于制药工业。影响单晶结构质量的主要因素是晶体的尺寸和规则性。重结晶是改善小分子晶体中这些因素的常用技术。在剑桥结构数据库截至2019年6月，包含超过1,000,000个结构; 这些结构中超过99％是通过X射线衍射确定的。

自1920年代以来，X射线衍射一直是确定矿物和金属中原子排列的主要方法。X射线晶体学在矿物学中的应用始于1924年Menzer确定的石榴石结构。在1920年代对硅酸盐进行了系统的X射线晶体学研究。这项研究表明，随着Si / O比例的改变，硅酸盐晶体的原子排列会发生显着变化。Machatschki将这些见解扩展到了以铝替代硅的矿物硅酸盐的原子。X射线晶体学在冶金领域的首次应用同样发生在1920年代中期。最值得注意的是，Linus Pauling的Mg ₂ Sn合金结构导致了他关于复杂离子晶体的稳定性和结构的理论。

2012年10月17日，“洛克纳斯特”号火星上的好奇号火星车对火星土壤进行了首次X射线衍射分析。流浪者的CheMin分析仪的结果表明存在多种矿物质，包括长石、辉石和橄榄石，并表明样品中的火星土壤类似于夏威夷火山的“风化玄武岩土壤” 。