晶体学

晶体学是确定晶体固体中原子排列的实验科学。单词“晶体”是从衍生希腊词籽晶“冷滴，冻结滴”，其含义延伸到所有的固体具有某种程度的透明度，并graphein“写”。2012年7月，联合国宣布2014年为国际晶体学年，从而认识到晶体学科学的重要性。

在X射线衍射晶体学（见下文）发展之前，晶体的研究是基于使用测角仪对其几何形状的物理测量。这涉及测量晶面相对于彼此以及相对于理论参考轴（晶轴）的角度，并确定所讨论晶体的对称性。每个晶面在3D空间中的位置绘制在立体网（例如Wulff网或Lambert网）上。每个面的极点都绘制在网上。每个点都标有其米勒指数。最后的绘图允许建立晶体的对称性。

晶体学方法现在依赖于对某种类型的光束瞄准的样品的衍射图案的分析。X射线是最常用的；使用的其他光束包括电子或中子。晶体学家通常会明确说明所使用的光束类型，如X射线晶体学、中子衍射和电子衍射等术语。这三种类型的辐射以不同的方式与样品相互作用。

• X射线与样品中电子的空间分布相互作用。
• 电子被带电粒子并因此与总相互作用电荷分布两者的原子核和样品的电子。
• 中子通过强核力被原子核散射，但此外，中子的磁矩不为零。因此，它们也会被磁场散射。当中子从含氢材料中散射出来时，它们会产生具有高噪声水平的衍射图案。然而，有时可以对材料进行处理，用氘代替氢。

由于这些不同形式的相互作用，这三种类型的辐射适用于不同的晶体学研究。

一些已通过晶体学分析的材料，例如蛋白质，不会以晶体的形式自然存在。通常，将此类分子置于溶液中并通过蒸汽扩散使其缓慢结晶。将一滴含有分子、缓冲液和沉淀剂的溶液密封在容器中，容器中装有吸湿溶液。水滴中的水扩散到水库，慢慢增加浓度并形成晶体。如果浓度上升得更快，分子会简单地从溶液中沉淀出来，导致颗粒无序，而不是有序且可用的晶体。

一旦获得晶体，就可以使用辐射束收集数据。虽然许多从事晶体学研究的大学都有自己的X射线产生设备，但同步加速器经常被用作X射线源，因为这种源可以产生更纯净、更完整的图案。同步加速器源还具有高得多的X射线束强度，因此数据收集所需的时间比在较弱的源通常所需的时间少得多。互补中子晶体学技术用于识别氢原子的位置，因为X射线与氢等轻元素的相互作用非常微弱。

从衍射图案生成图像需要复杂的数学，并且通常需要建模和细化的迭代过程。在此过程中，将假设或“模型”结构的数学预测衍射图案与晶体样品生成的实际图案进行比较。理想情况下，研究人员做出几个初始猜测，通过细化，这些猜测都收敛到同一个答案。模型被改进，直到它们的预测模式在不彻底修改模型的情况下达到尽可能大的程度。这是一个艰苦的过程，如今计算机使这个过程变得容易得多。

分析衍射数据的数学方法仅适用于图案，而图案仅在波从有序阵列衍射时产生。因此，晶体学在很大程度上仅适用于晶体，或可用于测量的可诱导结晶的分子。尽管如此，可以从由纤维和粉末产生的图案中推断出一定数量的分子信息，虽然它们不像固体晶体那样完美，但可能表现出一定程度的有序性。这种级别的顺序足以推断简单分子的结构，或确定更复杂分子的粗略特征。例如，DNA的双螺旋结构由纤维样品产生的X射线衍射图推导出来。

材料科学家使用晶体学来表征不同的材料。在单晶中，原子的晶体排列的影响在宏观上往往很容易看到，因为晶体的自然形状反映了原子结构。此外，物理性质通常由结晶缺陷控制。了解晶体结构是了解晶体缺陷的重要前提。大多数情况下，材料不会以单晶形式出现，而是以多晶形式出现（即，作为具有不同取向的小晶体的集合体）。因此，粉末衍射该方法获取具有大量晶体的多晶样品的衍射图案，在结构测定中起着重要作用。

其他物理特性也与晶体学有关。例如，粘土中的矿物质形成小而扁平的板状结构。粘土很容易变形，因为板状颗粒可以在板平面内相互滑动，但在垂直于板的方向上仍保持牢固连接。这种机制可以通过晶体结构测量来研究。

在另一个示例中，铁在加热时从称为铁素体的体心立方(bcc)结构转变为称为奥氏体的面心立方(fcc)结构。fcc结构与bcc结构不同，是一种密堆积结构；因此，当这种转变发生时，铁的体积会减少。

晶体学可用于相识别。在制造或使用材料时，通常需要了解材料中存在哪些化合物和哪些相，因为它们的组成、结构和比例会影响材料的性能。每个相都有一个特征性的原子排列。X射线或中子衍射可用于确定材料中存在哪些图案，从而确定存在哪些化合物。晶体学涵盖了可以由晶体中的原子形成的对称模式的枚举，因此与群论有关。

X射线晶体学是确定生物大分子，特别是蛋白质和核酸（如DNA和RNA）的分子构象的主要方法。事实上，DNA的双螺旋结构是从晶体学数据中推导出来的。大分子的xxx个晶体结构是在1958年解决的，这是通过X射线分析获得的肌红蛋白分子的三维模型。所述的蛋白质数据银行（PDB）是用于蛋白质和其他生物大分子的结构的可自由访问的存储库中。计算机程序，例如RasMol、Pymol或VMD可用于可视化生物分子结构。中子晶体学通常用于帮助细化通过X射线方法获得的结构或解决特定的键；这些方法通常被视为是互补的，因为X射线对电子位置很敏感，对重原子的散射最为强烈，而中子对原子核的位置很敏感，即使对许多轻同位素（包括氢和氘）也有强烈的散射。电子晶体学已被用于确定一些蛋白质结构，最显着的是膜蛋白和病毒衣壳。