Kristalografija

Kristalografija (grč. Κρύσταλλος - krýstallos = led + γραφειν - gráfein = pisati) je nauka o oblicima i strukturi kristala, zasnovana na analizi rasporeda atoma u čvrstim stanjima. Ova naučna grana objedinjuje mjerenje uglova kristalnih tijela i uspostavljanje simetrije posmatranih kristala. U početnoj fazi se razvijala za potrebe mineralogije, na teorijskim osnovama fizike i matematike.

Prije razvoja X-kristalografije, proučavanje kristala je bilo zasnovano na njihovoj geometriji.

Podjela i primjena

Prema tim kriterijima dijeli se na nekoliko grana.

Geometrijska kristalografija (kristalografija u užem smislu) bavi se preciznim opisivanjem kristala, kao što su oblik, vrste raznovrsnosti i učestalost kristalnih oblika, simetrija građe i načina okrupnjavanja.
Hemijska kristalografija (fizička kristalografija) analizira odnose između oblika i fizičkih osobina, osobito optičkih osobina kristala.
Strukturna kristalografija proučava unutrašnji raspored čestica u kristalima. Tokom nekoliko posljednjih decenija ova oblast se razvijala ubrzano, zahvaljujući osavremenjavanju opreme i odgovarajućih računarskih softvera.

Kristalografija se danas primjenjuje u mnogim prirodnim nukama (mineralogija i rudarstvo, fizika čvrstog stanja, hemija, biologija, medicina), a najčešće u industriji, kao što su: metalna, optička, hemijska, keramička, industrija stakla, elektroindustrija i srodnim djelatnostima).

Difrakcija X-zrakama

Kristalna struktura se sada otkriva analizom osobina difrakcije uzorka u snopu neke vrste zračenja. Ovu tehniku su zajednički osmislili William Bragg (1862.-1942.) i njegov sin Lawrence Bragg (1890.-1971.), koji su zajedno osvojili Nobelovu nagradu za fiziku za 1915. Lawrence Bragg je najmlađi dobitnik Nobelove nagrade, a bio je direktor Cavendish Laboratorije na Univerzitetu u Cambridgeu, u periodu kada su James D. Watson i Francis Crick u februaru 1953. otkrili strukturu DNK.

U kristalografiji se najčešće koristeX-zrake, ali za neke svrhe i elektroni ili neutroni. Zbog različitih oblika interakcije, ove tri vrste zračenja su pogodne za različite kristalografske studije.

Tehnika

Neki materijali koji se proučavaju pomoću kristalografije, proteini, naprimjer, ne javljaju se prirodno kao kristali. Takve molekule se nalaze u otopini, a kristaliziraju za dan, sedmicu ili mjesec.

Kada se dobije kristal, podaci mogu biti prikupljeni pomoću snopa zračenja. Iako je oprema za difrakcije X-zrakama uobičajena, kristalografija često koristi posebni izvor sinhrotrone svjetlosti za X-zrake. One proizvode jasnije i potpunije nalaze. Sinhrotronski izvori također daju mnogo veći intenzitet X-zraka, tako da se podaci prikupljaju za kraće vrijeme nego što je obično potrebno pri slabijim izvorima.^[1]^[2]

Dobijanje slike difrakcije zahtijeva sofisticirane matematičke postupke. Matematičke metode za analizu difrakcijskih podataka se odnose na osobine koje se uočavaju samo onda kada talasi skreću od urednih nizova. Zato se kristalografija u najvećoj mjeri odnosi samo na kristale ili na molekule koje mogu kristalizirati.

Uprkos tome, određena količina molekulskih informacija se može izvesti iz obrazaca koje generiraju vlakna i prah. Naprimjer, dvostruko spiralne struktura DNK je izvedena difrakcijom X-zraka, dobijenom od vlaknastih uzoraka.

Elektronska difrakcija

Jasne razlike između intenziteta difrakcijskih mjesta se mogu koristiti u određivanju strukture kristala.

Elektronska kristalografija je način da se odredi raspored atoma u krutoj tvari pomoću mjenjača elektronskog mikroskopa (TEM). Metod je osmislio Aaron Klug, koji je osvojio Nobelovu nagradu za hemiju za studije o virusnim strukturama i RNK, 1982. godine.

Prva uspješna elektronska kristalografija strukture proteina u posmatranju atomske rezolucija je ostvarena proučavanjem bakteriorodopsina, 1990. godine.

Primjeri

Kristalografija u inženjerstvu materijala

Primjer kubne rešetke.

Kristalografija je alat koji se često koristi u nauci o materijalima. Razumijevanje kristalne strukture je neophodno za uočavanje kristalografskih nedostataka.

Brojna proučavanja drugih fizičkih svojstava su također povezana sa kristalografijom. Naprimjer, minerali gline stvaraju male, ravne, pločaste strukture. Glina se može lahko deformirati jer takve čestice kližu jedne duž drugih na ravnoj ploči. Ipak ostaju i dalje čvrsto povezane u okomitom pravcu na ploče. Takvi mehanizmi se mogu proučavati mjerenjem kristalografske teksture.

Kristalografija uključuje i simetrijske obrasce koji mogu nastati od atoma u kristalu.

Biologija

Kristalografija X-zrakama je bio glavni metod za određivanje 3-D molekularne strukture bioloških makromolekula. Najvažnije od njih su enzimi i nukleinske kiseline, kao što su DNK i RNK. U stvari, dvostruka spirala strukture DNK je otkrivena na osnovu kristalografskih podataka.

Prva kristalna struktura makromolekula je otkrivena 1958., u trodimenzionalnom modelu molekula mioglobina, analizom pomoću X-zraka.^[3] U Proteinskoj bazi podataka (Protein Data Bank) (PDB) su slobodno dostupni podaci za strukture proteina i drugih bioloških makromolekula. Za vizuelni pregled strukture bioloških molekula mogu se koristiti kompjuterski programi. Kristalografija X-zrakama sada daje put za elektronsku kristalografiju makromolekula koje ne čine velike 3-D kristale.

Također pogledajte

Reference

^ Borchardt-Ott W., Gould R. O. (2001): Crystallography: An Introduction, 3rd ed. Springer. ISBN 978-3642164514.
^ McQuarrie D. A., Simon J. D. (1997). Physical Chemistry: A Molecular Approach, 1st edition i). University Science Books, ISBN 0935702997.
^ http://www.nature.com/physics/looking-back/kendrew/kendrew.pdf.

Vanjski linkovi

American Crystallographic Association
Learning Crystallography
Crystal Lattice Structures
100 Years of Crystallography Arhivirano 6. 9. 2015. na Wayback Machine, Royal Institution animation
Vega Science Trust Interviews on Crystallography Freeview video interviews with Max Perutz, Rober Huber and Aaron Klug.
Commission on Crystallographic Teaching, Pamphlets
Ames Laboratory, US DOE Crystallography Research Resources
International Union of Crystallography
Web Portal of Open Access Crystallography Resources Arhivirano 18. 10. 2015. na Wayback Machine
Interactive Crystallography Timeline Arhivirano 30. 6. 2021. na Wayback Machine from the, Royal Institution
Nature Milestones in Crystallography

[1] Borchardt-Ott W., Gould R. O. (2001): Crystallography: An Introduction, 3rd ed. Springer. ISBN 978-3642164514.

[2] McQuarrie D. A., Simon J. D. (1997). Physical Chemistry: A Molecular Approach, 1st edition i). University Science Books, ISBN 0935702997.

[3] ttp://www.nature.com/physics/looking-back/kendrew/kendrew.pdf.

[1]

[2]

[3]