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Cristalografía

Cristalografía (de Griego palabras crystallon = gota fría/gota congelada, con su significado extendiendo a todos los sólidos con un cierto grado de la transparencia, y graphein = escriba) es la ciencia experimental de determinar el arreglo de átomos en sólidos. En un más viejo uso, es el estudio científico de cristales.

Antes de que el desarrollo de la cristalografía de la difracción de radiografía (véase abajo), el estudio de cristales fuera basado en la geometría de los cristales. Esto implica el medir de los ángulos de las hachas teóricas en relación con de la referencia de las caras cristalinas (hachas cristalográficas), y de establecer simetría del cristal en la pregunta. Se realiza el anterior usando a goniómetro. La posición en el espacio 3D de cada cara cristalina se traza respecto a una red stereographic, e.g. Red de Wulff o Red de Lambert. De hecho, el poste a cada cara se traza en la red. Cada punto se etiqueta con su Índice de Molinero. El diagrama final permite que la simetría del cristal sea establecida.

Los métodos cristalográficos ahora dependen del análisis del difracción patrones que emergen de una muestra que sea apuntada por una viga de un cierto tipo. La viga no está siempre radiación electromágnetica, aun cuando Radiografías es la opción más común. Para algunos propósitos electrones o neutrones se utilizan, que es posible debido a las características de la onda de las partículas. Estado de Crystallographers a menudo explícitamente que el tipo de iluminación utilizó al referir a un método, como con los términos Difracción de radiografía, difracción del neutrón y difracción del electrón.

Estos tres tipos de radiación obran recíprocamente con el espécimen de diversas maneras. Radiografías obre recíprocamente con la distribución espacial del electrones de la valencia, mientras que electrones sea partículas cargadas y por lo tanto sienta la distribución total de la carga de ambos núcleos atómicos y los electrones circundantes. Neutrones son dispersados por los núcleos atómicos con fuerzas nucleares fuertes, pero además, momento magnético de neutrones es diferente a cero. Por lo tanto también se dispersan cerca campos magnéticos. Debido a estas diversas formas de interacción, los tres tipos de radiación son convenientes para diversos estudios cristalográficos.

Teoría

En varios casos, una imagen de un objeto microscópico es generada enfocando los rayos del espectro visible usar a lente, como en luz microscopia. Sin embargo, porque la longitud de onda de la luz visible es larga comparada a enlace atómico longitudes y átomos ellos mismos, es necesario utilizar la radiación con longitudes de onda más cortas, tales como radiografías. El empleo de longitudes de onda más cortas implica abandonar microscopia y proyección de imagen verdadera, sin embargo, porque existe ningún material de el cual una lente capaz de enfocar este tipo de radiación pueda ser creada. (Que dicho, los científicos han tenido algunas radiografías que se enfocaban del éxito con microscópico Placas de la zona de Fresnel hecho del oro). Generalmente, en proyección de imagen difracción-basada, las únicas longitudes de onda usadas son las que son demasiado cortos ser enfocadas. Esta dificultad es la razón que los cristales deben ser utilizados.

Debido a su estructura altamente pedida y repetidora, los cristales son un material ideal para analizar la estructura de sólidos. Para utilizar la difracción de radiografía como ejemplo, un solo fotón de la radiografía que difracta apagado de una nube del electrón no generará bastante fuerte una señal para que el equipo detecte. Sin embargo, muchas radiografías que difractan de muchas nubes del electrón en aproximadamente la misma posición y orientación relativas a través del cristal darán lugar a constructivo interferencia y por lo tanto una señal perceptible.

Notación

Vea Índice de Molinero para un tratamiento completo de este asunto.

• Coordenadas adentro cuadrado soportes por ejemplo [100] denote una dirección (en espacio verdadero).

• Coordenadas adentro soportes de ángulo o galones por ejemplo <100> denote a familia de las direcciones que son equivalente debido a las operaciones de la simetría. Si refiere a un sistema cúbico, este ejemplo podría significar [100], [010], [001] o la negativa de cualesquiera de esas direcciones.

• Índices de Molinero adentro paréntesis por ejemplo (100) denote un plano, en un sistema cúbico normal al plano (del hkl) está la dirección [hkl].

• Índices adentro llaves o apoyos por ejemplo {100} denote una familia de los normals planos que son equivalente debido a las operaciones de la simetría, mucha la manera que los soportes de ángulo denotan una familia de direcciones.

Técnica

Algunos materiales estudiados usando la cristalografía, proteínas por ejemplo, no ocurra naturalmente como cristales. Típicamente, tales moléculas se colocan en la solución y se permiten cristalizarse sobre días, semanas, o meses a través del vapor difusión. Una gota de la solución que contiene la molécula, el almacenador intermediario, y los precipitados se sella en un envase con un depósito que contiene a higroscópico solución. El agua en la gota difunde al depósito, aumentando lentamente la concentración y permitiendo que un cristal forme. Si la concentración fuera levantarse más rápidamente, la molécula simplemente precipitado fuera de la solución, dando por resultado los gránulos desordenados más bien que de una ordenanza y por lo tanto de un cristal usable.

Una vez que se obtenga un cristal, los datos se pueden recoger usando una viga de la radiación. Aunque muchas universidades que enganchan a la investigación cristalográfica tienen su propia radiografía produciendo el equipo, sincrotrones sea de uso frecuente como fuentes de la radiografía, debido a el más puro y patrones más completos que tales fuentes pueden generar. Las fuentes del sincrotrón también tienen una intensidad mucho más alta de las vigas de radiografía, así que tomas de la colección de datos una fracción del tiempo normalmente necesario en fuentes más débiles.

Producir una imagen de un patrón de difracción requiere sofisticado matemáticas y a menudo un proceso iterativo de el modelar y refinamiento. En este proceso, los patrones de difracción matemáticamente predichos de una estructura presumida o “modelo” se comparan al patrón real generado por la muestra cristalina. Idealmente, los investigadores hacen varias conjeturas iniciales, que con el refinamiento todo converja en la misma respuesta. Se refinan los modelos hasta que sus patrones predichos emparejan a tan grande un grado como puede ser alcanzado sin la revisión radical del modelo. Esto es un proceso cuidadoso, hecho hoy mucho más fácil por las computadoras.

Los métodos matemáticos para el análisis de los datos de la difracción se aplican solamente a patrones, qué alternadamente resultado solamente cuando las ondas difractan de órdenes ordenados. Por lo tanto la cristalografía solicita la mayor parte solamente a los cristales, o a las moléculas que pueden ser engatusadas crystalize por la medida. A pesar de esto, cierta cantidad de información molecular se puede deducir de los patrones que son generados por las fibras y polvos, que mientras que tan es perfecto como un cristal sólido, puede exhibir un grado de orden. Este nivel de la orden puede ser suficiente deducir la estructura de moléculas simples, o determinar las características gruesas de moléculas más complicadas (la estructura doble-helicoidal de DNA, por ejemplo, fue deducido de un patrón de difracción de radiografía que había sido generado por una muestra fibrosa).

Cristalografía en dirigir de los materiales

La cristalografía es una herramienta que es empleada a menudo por los científicos de los materiales. En solos cristales, los efectos del arreglo cristalino de átomos son a menudo fáciles de considerar macroscópico, porque las formas naturales de cristales reflejan la estructura atómica. Además, las características físicas son controladas a menudo por defectos cristalinos. La comprensión de las estructuras cristalinas es un requisito previo importante para entender defectos cristalográficos. Sobre todo, los materiales no ocurren en una sola forma cristalina, sino poly-crystalline, tal que difracción del polvo el método desempeña un papel más importante de la determinación estructural.

Un número de otras características físicas se ligan a la cristalografía. Por ejemplo, los minerales adentro arcilla forme pequeño, plano, estructuras del platelike. La arcilla se puede deformir fácilmente porque las partículas del platelike pueden deslizarse a lo largo de uno a en el plano de las placas, con todo sigue conectada fuertemente en el perpendicular de la dirección con las placas. Tales mecanismos se pueden estudiar por cristalográfico textura medidas.

En otro ejemplo, hierro transforma de a cúbico body-centered estructura (del bcc) a a cúbico face-centered estructura (FCC) llamada austenite cuando se calienta. La FCC estructura es una estructura cerrar-embalada, y la estructura del bcc no es, que explica porqué el volumen del hierro disminuye cuando ocurre esta transformación.

La cristalografía es útil en la identificación de la fase: Es decir, al realizar una cierta clase de proceso en un material, se desea a menudo para descubrir qué compone y qué fases están presentes en el material. Cada fase tiene un arreglo característico de átomos. Las técnicas como la difracción de radiografía se pueden utilizar para identificar qué patrones están presentes en el material, y así que los compuestos son presente (nota: la determinación del “pone en fase” dentro de un material no se debe confundir con el problema más general de la “determinación de la fase,” que refiere a la fase de ondas mientras que difractan de los planos dentro de un cristal, y que es un paso necesario en la interpretación de los patrones de difracción complicados).

La cristalografía cubre la enumeración de los patrones de la simetría que se pueden formar por los átomos en un cristal y por esta razón tiene una relación para agrupar teoría y geometría. Vea grupo de la simetría.

Biología

Cristalografía de la radiografía es el método primario para determinar los conformations moleculares de biológico macromoléculas, particularmente proteína y ácidos nucleic por ejemplo DNA y RNA. De hecho, la estructura doble-helicoidal de la DNA fue deducida de datos cristalográficos. La primera estructura cristalina de una macromolécula fue solucionada en 1958 (Kendrew, J.C. y otros. (1958) Un modelo tridimensional de la molécula del myoglobin obtenida por el análisis de X-ray (naturaleza 181, 662-666). Banco de datos de la proteína (PDB) es un depósito libremente accesible para las estructuras de proteínas y otras macromoléculas biológicas. Los programas de computadora tienen gusto RasMol o Pymol puede ser utilizado visualizar las estructuras moleculares biológicas.

Cristalografía del electrón se ha utilizado determinar algunas estructuras de la proteína, lo más notablemente posible proteínas de la membrana y capsids virales.

Científicos de la nota

Vea también

Acoplamientos externos

• Introducción a los sistemas del cristal de la cristalografía y del mineral
• Folletos de enseñanza cristalográficos
• Estructuras del enrejado cristalino
• Software cristalográfico libremente disponible para la academia
• Listado del software de NetSci para la cristalografía
• Servidor de información de SINCRIS para la cristalografía
• ORTEP un espectador profesional del grado para el uso en una PC que se basa en el código del FORTRAN que vino de la Oak Ridge
• Entrevistas de la confianza de la ciencia de Vega en la cristalografía Entrevistas del vídeo de Freeview con Pertuz, Rober Huber y Aaron máximos Klug.
• Comisión en la enseñanza cristalográfica, folletos
• Sitio de la cristalografía de Steffen Weber con las porciones de los Java applets
• Diccionario en línea de IUCr de la cristalografía
• Asociación cristalográfica americana
• Medida de Laue de las láminas de turbina del Solo-Cristal