Cristalografie

De la Wikipedia, enciclopedia liberă.
Salt la navigare Salt la căutare

Cristalografia (din grecescul "krystallos" , "ice" și "graphein" , "a scrie") este știința care se ocupă cu studiul cristalelor . În special, se ocupă de formarea lor, creșterea, structura microscopică, aspectul macroscopic și proprietățile fizice. [1]

Uneori, termenul „cristalografie” este folosit în mod necorespunzător cu un sens mai restrâns pentru a indica tehnicile experimentale utilizate pentru a determina aranjarea atomilor în solide .

fundal

Protractor folosit în antichitate pentru a măsura orientarea fețelor unui cristal.

Unul dintre primii oameni de știință care s-au ocupat de studiul cristalelor a fost Kepler, care în 1611 a publicat tratatul intitulat „Strena Seu de Nive Sexangula” , în care dezvoltă o descriere matematică a cristalelor de zăpadă. [2] Considerațiile lui Kepler privind morfologia cristalelor de zăpadă au anticipat legea privind constanța unghiurilor , prezentată ulterior de danezul Niels Stensen în tratatul său „De Solido Intra Solidum” . [2] Această lege a fost verificată de Stensen pentru hematit și cristale de cuarț ; în 1783 Romé de l'Isle a verificat această lege pentru multe alte substanțe. [2]

Celelalte legi fundamentale ale cristalografiei ( legea privind constanța simetriei și legea raționalității interceptărilor ) au fost introduse de René Just Haüy în 1784 cu tratatul „Essai d'un Théorie sur la Structure des Cristaux” . [2] Legea raționalității interceptărilor a fost folosită în 1830 de către fizicianul german Johann Friedrich Christian Hessel pentru a determina numărul total de grupuri punctuale posibile, egal cu 32. [2] Descoperirile privind clasificarea sistematică a cristalelor au continuat cu cele franceze fizicianul Auguste Bravais , care a definit cele 14 rețele Bravais în 1848. [2] Din rezultatele lui Hessel și Bravais au apărut studiile cristalografului rus Evgraf Stepanovich Fyodorov și al matematicianului german Arthur Schoenflies care au prezis în mod independent numărul posibilelor grupuri spațiale , chiar până la 230. [2]

Înainte de dezvoltarea cristalografiei prin difracție cu raze X (care a venit de Max von Laue [3] în 1912 [4] ), studiul cristalelor s-a bazat pe geometria cristalelor. Aceasta a necesitat măsurarea unghiurilor pe care fețele de cristal le-au format în raport cu axele de referință teoretice („numite axe cristalografice”). Această măsurătoare a fost efectuată cu ajutorul unui echer . Poziția în spațiul tridimensional al fiecărei fețe a cristalului (sau mai bine zis a normalului fiecărei fețe) a fost trasată pe o rețea stereografică , adică o rețea Wolff sau o rețea Lambert și fiecare punct a fost etichetat cu indicele său Miller . Modelul final a făcut astfel posibilă stabilirea simetriei cristalului.

Difracția electronică a fost dezvoltată pentru prima dată în 1927.

În 1937, William Astbury a obținut primele modele de difracție a ADN-ului . [5] Aceste prime rezultate au fost urmate de alte investigații difratometrice efectuate de fizicianul englez Rosalind Franklin , care i-au permis lui James Watson și Francis Crick să descopere structura cu dublă helică a moleculei de ADN (1953). [6]

Notări adoptate în cristalografie

Exemplu de utilizare a notațiilor pentru a identifica direcțiile și planurile unui cristal.

În descrierea geometrică a unei structuri cristaline, se adoptă următoarele notații:

  • punctele unei rețele de cristal sunt indicate de succesiunea a trei numere, de exemplu: 100 ; [7] fiecare număr corespunde distanței punctului în cauză de la originea grilei; această distanță este indicată luând laturile celulei unitare a cristalului ca unitate de măsură.
  • Coordonatele între paranteze pătrate precum [100] denotă o direcție (în spațiul real). [8]
  • Coordonatele din paranteze unghiulare, cum ar fi <100> denotă o familie de direcții care sunt echivalente datorită operațiilor de simetrie. Dacă se referă la un sistem cubic, acest exemplu ar putea indica direcțiile [100], [010], [001] sau negativul oricăreia dintre aceste direcții.
  • Coordonatele dintre paranteze precum (100) denotă direcția normalelor plane. [9] Aceste tripluri se mai numesc „ indici Miller ”. [9]
  • Coordonatele în acolade, cum ar fi {100}, indică o familie de planuri normale care sunt echivalente datorită operațiilor de simetrie, în mod similar în cazul în care parantezele unghiulare indică o familie de direcții.

Numerele negative sunt indicate prin adăugarea unei linii deasupra numărului în cauză, de exemplu .

Legile fundamentale ale cristalografiei

Cele trei legi fundamentale ale cristalografiei sunt: [10]

Dovezi experimentale ale legii lui Steno: fețele cristalelor din aceeași substanță au aceeași orientare, indiferent de obiceiul cristalin particular.

Tehnici de difracție

Principii teoretice

Schema tehnicii de difracție folosită în cristalografie. O rază lovește proba materialului (centru) producând un model de difracție (dreapta).

Deoarece materialele cristaline sunt anizotrope , viteza unei raze (de exemplu de lumină, electroni sau neutroni) care trece printr-un eșantion din aceste materiale este diferită în funcție de direcția în care raza trece prin eșantion. [11] Prin urmare, avem fenomenul birefringenței , care nu este prezent în majoritatea materialelor amorfe, care sunt în schimb izotrope .

Pentru a vizualiza o imagine a unui obiect microscopic, razele de lumină vizibile pot fi focalizate printr-un sistem de lentile , cum ar fi în microscopul optic . Cu toate acestea, deoarece lungimea de undă a luminii vizibile este mult mai mare decât dimensiunea atomilor și distanțele care îi separă într-un cristal (distanță interatomică), este necesar să se utilizeze radiații cu lungimi de undă mai mici, cum ar fi razele X. Cu toate acestea, utilizarea a lungimilor de undă mai scurte duce la abandonarea microscopiei, deoarece este aproape imposibil să creăm un obiectiv capabil să focalizeze acest tip de radiații. În general, la crearea imaginilor de difracție, singurele lungimi de undă utilizate sunt cele prea scurte pentru a fi focalizate.

Această dificultate este motivul pentru care, pentru a analiza structura solidelor, se folosesc cristale, care sunt un material ideal datorită structurii lor foarte ordonate și repetitive. Un singur foton X difractat de un nor de electroni nu va genera un semnal suficient de puternic pentru a fi detectat de instrumente. Cu toate acestea, mulți fotoni X distrași de mulți nori electronici care se află în aproximativ aceleași poziții relative și orientări pe tot cristalul vor genera interferențe constructive și, prin urmare, un semnal detectabil. Și acest lucru se aplică și altor tipuri de radiații.

Clasificare pe baza tipului de grindă

Model obținut prin difracția electronică a unui cristal cvasicristal (Zn-Mg-Ho).

Metodele cristalografice moderne se bazează pe analiza tiparelor de difracție care rezultă dintr-un eșantion vizat de un fel de fascicul. Fasciculul nu este întotdeauna de natură electromagnetică , deși razele X sunt cel mai utilizat tip de radiații. În funcție de tipul de fascicul utilizat, vorbim, așadar, de „difracție de raze X”, „difracție de neutroni” (sau difracție de neutroni ) și „ difracție de electroni ” (sau difracție de electroni). Dacă vorbim pur și simplu de difracție , ne referim la raze X.

În unele scopuri, se utilizează electroni sau neutroni , ceea ce este posibil datorită proprietăților de undă ale particulelor elementare . Razele X sunt utile pentru vizualizarea norilor electronici care alcătuiesc atomii, în timp ce metodele de difracție a neutronilor vor dezvălui nucleele atomilor.

Spre deosebire de razele X, electronii sunt particule încărcate care, prin urmare, interacționează puternic cu materia. Difracția electronică este o tehnică larg utilizată pentru studiul suprafețelor.

Sursa razelor

Un exemplu de sincrotron : Sursa de lumină canadiană (CLS).

Deși multe universități angajate în cercetări cristalografice au propriul echipament pentru a produce raze X, sincrotronii comuni sunt adesea folosiți ca surse de raze X, deoarece astfel de surse pot genera modele mai pure și mai complete. Sursele de sincrotron produc fascicule de raze mult mai intense, astfel încât colectarea datelor durează doar o fracțiune din timpul pe care l-ar lua cu surse mai slabe.

Natura probelor care urmează să fie examinate

Metodele matematice pentru analiza datelor de difracție se aplică doar modelelor , care la rândul lor apar doar atunci când undele sunt difractate prin matrice ordonate. Prin urmare, cristalografia se aplică aproape exclusiv cristalelor sau moleculelor care pot fi cristalizate în scopuri de măsurare. În ciuda acestui fapt, o anumită cantitate de informații moleculare poate fi dedusă din tiparele generate de fibre și pulberi, care, deși nu sunt la fel de perfecte ca un cristal monolitic, pot prezenta o anumită ordine. Acest nivel de ordine poate fi suficient pentru a deduce structura moleculelor simple sau pentru a determina caracteristicile grosiere ale moleculelor mai complicate (de exemplu, structura cu dublă helică a ADN a fost dedusă dintr-un model de difracție cu raze X generat de o probă fibroasă) .

Prepararea cristalelor din materiale amorfe

Unele materiale studiate cu cristalografie (de exemplu ADN ) nu sunt prezente în natură sub formă cristalină. Aceste materiale sunt apoi dizolvate în soluție și lăsate să cristalizeze pe parcursul zilelor, săptămânilor sau lunilor prin difuzie de vapori .

O picătură de soluție, care conține substanța de testat, o soluție tampon și precipitanții, este sigilată într-un recipient cu un rezervor care conține o soluție higroscopică . Apa din picătură se răspândește în rezervor, crescând încet concentrația și lăsând cristalul să se formeze. Dacă concentrația ar crește mai repede, substanța ar precipita pur și simplu din soluție, producând granule dezordonate în locul unui cristal ordonat și, prin urmare, utilizabil.

După obținerea unui cristal, datele pot fi colectate folosind un fascicul de radiații.

Producerea de modele de difracție

Producerea modelului de difracție și rafinamentul modelului pentru analiza cristalografică a unei substanțe.

Producerea unei imagini dintr-un model de difracție necesită matematică sofisticată și adesea un proces iterativ de rafinare a modelului. În această procedură, modelele de difracție prezise matematic bazate pe o structură ipotezată sunt comparate cu modelele generate efectiv de proba cristalină. În mod ideal, cercetătorii fac mai multe încercări inițiale, care prin rafinament converg către același răspuns. Modelele sunt rafinate până când modelele lor prezise corespund unui nivel maxim care poate fi atins fără o revizuire radicală a modelului. Acesta este un proces foarte meticulos, dar a fost facilitat de utilizarea computerelor.

Relațiile cu alte discipline

Stiinta Materialelor

Cristalografia este un instrument folosit adesea de oamenii de știință în materie de materiale. În cristalele unice, efectele aranjamentului cristalin al atomilor sunt adesea ușor de văzut cu ochiul liber, deoarece formele naturale ale cristalelor reflectă structura atomică. În plus, proprietățile fizice sunt adesea determinate de defecte ale cristalului. Înțelegerea structurilor cristaline este o condiție prealabilă importantă pentru înțelegerea defectelor cristalografice.

Mai multe alte proprietăți fizice sunt legate de cristalografie. De exemplu, mineralele care alcătuiesc argila formează structuri lamelare mici și plane. Argila poate fi deformată cu ușurință, deoarece particulele lamelare pot aluneca unele peste altele în planul lamelelor și totuși rămân puternic conectate în direcția perpendiculară pe lamele.

Pentru a da un alt exemplu, atunci când fierul este încălzit, se schimbă de la o structură cubică centrată pe corp (bcc) la o structură cubică cu fețe (fcc) corespunzătoare γ fier allotrope . Structura fcc este o structură strânsă, în timp ce structura bcc nu, ceea ce explică de ce volumul de fier scade atunci când are loc această transformare.

Cristalografia este utilă în identificarea fazelor: adică, atunci când se efectuează un fel de procesare pe un material, este deseori de dorit să se obțină ce compuși și ce faze sunt prezente în material. Fiecare fază are o dispunere caracteristică a atomilor. Tehnici precum difracția cu raze X pot fi folosite pentru a identifica ce tipare sunt prezente în material și, prin urmare, ce compuși sunt prezenți (notă: problema determinării „fazelor” dintr-un material nu trebuie confundată cu problema mai generală a „determinarea fazei”, care se referă la faza undelor care se deosebesc de planurile cristaline și care este un pas necesar în interpretarea tiparelor de difracție mai complicate).

Cristalografia se ocupă și de enumerarea modelelor de simetrie care pot fi formate de atomi într-un cristal și, din acest motiv, are de-a face cu teoria și geometria grupurilor.

Biologie

Model de difracție legat de o proteină ( lizozimă ).

Cristalografia cu raze X este metoda primară pentru determinarea conformațiilor moleculare ale macromoleculelor biologice, în special proteinelor și acizilor nucleici precum ADN și ARN . Prima structură cristalină a unei macromolecule a fost rezolvată în 1958 [12] .

Protein Data Bank (PDB) este o bază de date cu structuri de proteine ​​și alte macromolecule biologice. [13] Software- ul RasMol poate fi utilizat pentru a vizualiza structurile moleculare biologice.

Cristalografia electronică a fost utilizată pentru a determina structurile unor proteine, în principal proteine ​​de membrană și capside virale.

Oamenii de știință

Mai jos este o listă a oamenilor de știință care s-au remarcat pentru studiile lor în cristalografie.

Notă

  1. ^ Goel , p. 1 .
  2. ^ a b c d e f g ( EN ) Note istorice timpurii despre cristale și cristalografie
  3. ^(EN) Raze X.
  4. ^(EN) Scurt istoric al cristalografiei proteinelor Arhivat la 16 decembrie 2013 în Internet Archive .
  5. ^ Astbury W ,, Acid nucleic , în Symp. SOC. Exp. Bbl , vol. 1, nr. 66, 1947.
  6. ^ Watson JD și Crick FHC "O structură pentru acidul nucleic de dezoxiriboză". (PDF) Nature 171, 737–738 (1953). Ultimul acces: 13 februarie 2007.
  7. ^ Borchardt-Ott , p. 11.
  8. ^ Borchardt-Ott , p. 12 .
  9. ^ a b Borchardt-Ott , p. 14.
  10. ^ Goel , pp. 52-56 .
  11. ^ Goel , p. 4 .
  12. ^ Kendrew, JC și colab. (1958) „Un model tridimensional al moleculei de mioglobină obținut prin analiza cu raze X”. Natura 181 , 662-666
  13. ^ Site-ul este liber accesibil la http://www.rcsb.org

Bibliografie

Elemente conexe

Alte proiecte

linkuri externe

Controlul autorității Tesauro BNCF 19645 · LCCN (EN) sh85034498 · GND (DE) 4033217-2 · BNF (FR) cb11958726f (dată) · BNE (ES) XX525386 (dată) · NDL (EN, JA) 00.565.652
Adus de la „ https://it.wikipedia.org/w/index.php?title=Crystalgraphy&oldid=120141134 ”