材料科学/晶体学

晶体学

晶体学是确定固体中原子排列的实验科学。在旧的用法中，它是对晶体的科学研究。

在 X 射线衍射晶体学发展之前（见下文），对晶体的研究是基于晶体的几何形状。这涉及测量晶体面相对于理论参考轴（晶体学轴）的角度，并确定所讨论晶体的对称性。前者使用测角仪进行。每个晶体面的三维空间位置被绘制在立体投影网上，例如沃尔夫网或兰伯特网。事实上，每个面的极点都被绘制在网上。每个点都用它的米勒指数标记。最终的图允许确定晶体的对称性。

晶体学方法现在依赖于分析从由某种类型的射束照射的样本中出现的衍射图样。射束并不总是电磁辐射，即使 X 射线是最常见的选择。出于某些目的，使用电子或中子，这是由于粒子的波动特性。晶体学家在提及一种方法时通常明确说明所使用的照明类型，例如 X 射线衍射、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 射线与价电子的空间分布相互作用，而电子是带电粒子，因此会感受到原子核和周围电子的总电荷分布。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，它们也受到磁场的散射。由于这些不同的相互作用形式，这三种类型的辐射适用于不同的晶体学研究。

在几种情况下，微观物体的图像通过使用光学显微镜中的透镜聚焦可见光谱的射线来生成。然而，由于可见光的波长与原子键长和原子本身相比很长，因此有必要使用波长更短的辐射，例如 X 射线。采用更短的波长意味着放弃显微镜和真正的成像，然而，因为不存在可以用来聚焦这种类型辐射的透镜的材料。（也就是说，科学家在使用由金制成的微型菲涅耳波带片聚焦 X 射线方面取得了一些成功）。通常，在基于衍射的成像中，唯一使用的波长是那些太短而无法聚焦的波长。这种困难是必须使用晶体的理由。

由于其高度有序和重复的结构，晶体是分析固体结构的理想材料。以 X 射线衍射为例，单个 X 射线光子从一个电子云中衍射不会产生足够强的信号供设备检测。然而，许多 X 射线从许多电子云中衍射，这些电子云在整个晶体中具有大致相同的相对位置和方向，这将导致相长干涉，从而产生可检测的信号。

晶体学是材料科学家经常使用的工具。在单晶体中，原子晶体排列的影响通常很容易在宏观上看到，因为晶体的自然形状反映了原子结构。此外，物理性质通常受晶体缺陷控制。理解晶体结构是理解晶体缺陷的重要先决条件。大多数情况下，材料不会以单晶形式存在，而是以多晶形式存在，因此粉末衍射方法在结构确定中起着最关键的作用。

许多其他物理性质与晶体学相关。例如，粘土中的矿物质形成小的、扁平的、板状结构。粘土很容易变形，因为板状粒子可以沿板的平面相互滑动，但仍然在垂直于板的方向上保持牢固连接。可以通过晶体学织构测量研究这种机制。

在另一个例子中，铁在加热时从体心立方 (bcc) 结构转变为面心立方 (fcc) 结构，称为奥氏体。fcc 结构是一种密堆积结构，而 bcc 结构不是，这解释了为什么铁发生这种转变时体积会减小。

晶体学在相识别中很有用：也就是说，当对材料进行某种处理时，通常需要确定材料中存在哪些化合物和哪些相。每种相都有其特有的原子排列。X 射线衍射等技术可用于识别材料中存在的哪些图样，从而识别存在哪些化合物（注意：材料中“相”的确定不应与更一般的“相位确定”问题混淆，后者指的是当它们从晶体内的平面衍射时波的相位，这是解释复杂衍射图样的必要步骤）。

晶体学涵盖了对晶体中原子可以形成的对称模式的枚举，因此与群论和几何有关。见对称群。

X 射线晶体学是确定生物大分子（尤其是蛋白质和核酸，如 DNA 和 RNA）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推断出来的。第一个大分子晶体结构是在 1958 年解决的（Kendrew, J.C. 等人（1958）通过 X 射线分析获得的肌红蛋白分子三维模型（Nature 181, 662–666）。蛋白质数据库 (PDB) 是一个免费访问的蛋白质和其他生物大分子结构的存储库。RasMol 可用于可视化生物分子结构。

电子晶体学已被用来确定一些蛋白质结构，最著名的是膜蛋白和病毒衣壳。