材料科學/晶體學

晶體學

晶體學是確定固體中原子排列的實驗科學。在舊的用法中，它是對晶體的科學研究。

在 X 射線衍射晶體學發展之前（見下文），對晶體的研究是基於晶體的幾何形狀。這涉及測量晶體面相對於理論參考軸（晶體學軸）的角度，並確定所討論晶體的對稱性。前者使用測角儀進行。每個晶體面的三維空間位置被繪製在立體投影網上，例如沃爾夫網或蘭伯特網。事實上，每個面的極點都被繪製在網上。每個點都用它的米勒指數標記。最終的圖允許確定晶體的對稱性。

晶體學方法現在依賴於分析從由某種型別的射束照射的樣本中出現的衍射圖樣。射束並不總是電磁輻射，即使 X 射線是最常見的選擇。出於某些目的，使用電子或中子，這是由於粒子的波動特性。晶體學家在提及一種方法時通常明確說明所使用的照明型別，例如 X 射線衍射、中子衍射和電子衍射等術語。

這三種類型的輻射以不同的方式與樣品相互作用。X 射線與價電子的空間分佈相互作用，而電子是帶電粒子，因此會感受到原子核和周圍電子的總電荷分佈。中子透過強核力被原子核散射，但此外，中子的磁矩不為零。因此，它們也受到磁場的散射。由於這些不同的相互作用形式，這三種類型的輻射適用於不同的晶體學研究。

在幾種情況下，微觀物體的影像透過使用光學顯微鏡中的透鏡聚焦可見光譜的射線來生成。然而，由於可見光的波長與原子鍵長和原子本身相比很長，因此有必要使用波長更短的輻射，例如 X 射線。採用更短的波長意味著放棄顯微鏡和真正的成像，然而，因為不存在可以用來聚焦這種型別輻射的透鏡的材料。（也就是說，科學家在使用由金製成的微型菲涅耳波帶片聚焦 X 射線方面取得了一些成功）。通常，在基於衍射的成像中，唯一使用的波長是那些太短而無法聚焦的波長。這種困難是必須使用晶體的理由。

由於其高度有序和重複的結構，晶體是分析固體結構的理想材料。以 X 射線衍射為例，單個 X 射線光子從一個電子雲中衍射不會產生足夠強的訊號供裝置檢測。然而，許多 X 射線從許多電子雲中衍射，這些電子雲在整個晶體中具有大致相同的相對位置和方向，這將導致相長干涉，從而產生可檢測的訊號。

晶體學是材料科學家經常使用的工具。在單晶體中，原子晶體排列的影響通常很容易在宏觀上看到，因為晶體的自然形狀反映了原子結構。此外，物理性質通常受晶體缺陷控制。理解晶體結構是理解晶體缺陷的重要先決條件。大多數情況下，材料不會以單晶形式存在，而是以多晶形式存在，因此粉末衍射方法在結構確定中起著最關鍵的作用。

許多其他物理性質與晶體學相關。例如，粘土中的礦物質形成小的、扁平的、板狀結構。粘土很容易變形，因為板狀粒子可以沿板的平面相互滑動，但仍然在垂直於板的方向上保持牢固連線。可以透過晶體學織構測量研究這種機制。

在另一個例子中，鐵在加熱時從體心立方 (bcc) 結構轉變為面心立方 (fcc) 結構，稱為奧氏體。fcc 結構是一種密堆積結構，而 bcc 結構不是，這解釋了為什麼鐵發生這種轉變時體積會減小。

晶體學在相識別中很有用：也就是說，當對材料進行某種處理時，通常需要確定材料中存在哪些化合物和哪些相。每種相都有其特有的原子排列。X 射線衍射等技術可用於識別材料中存在的哪些圖樣，從而識別存在哪些化合物（注意：材料中“相”的確定不應與更一般的“相位確定”問題混淆，後者指的是當它們從晶體內的平面衍射時波的相位，這是解釋複雜衍射圖樣的必要步驟）。

晶體學涵蓋了對晶體中原子可以形成的對稱模式的列舉，因此與群論和幾何有關。見對稱群。

X 射線晶體學是確定生物大分子（尤其是蛋白質和核酸，如 DNA 和 RNA）分子構象的主要方法。事實上，DNA 的雙螺旋結構是從晶體學資料推斷出來的。第一個大分子晶體結構是在 1958 年解決的（Kendrew, J.C. 等人（1958）透過 X 射線分析獲得的肌紅蛋白分子三維模型（Nature 181, 662–666）。蛋白質資料庫 (PDB) 是一個免費訪問的蛋白質和其他生物大分子結構的儲存庫。RasMol 可用於視覺化生物分子結構。

電子晶體學已被用來確定一些蛋白質結構，最著名的是膜蛋白和病毒衣殼。