Cristalografia este stiinta experimentala a determinarii aranjamentului atomilor in solidele cristaline (structura cristalina). Cuvantul „cristalografie” este derivat din cuvintele grecesti crystallon „picatura rece, picatura inghetata”, sensul sau extinzandu-se la toate solidele cu un anumit grad de transparenta, si graphein – „a scrie”. In Iulie 2012, Organizatia Natiunilor Unite a recunoscut importanta stiintei cristalografiei proclamand ca 2014 va fi Anul international al cristalografiei.
Inainte de dezvoltarea cristalografiei prin difractie cu raze X, studiul cristalelor s-a bazat pe masuratori fizice ale geometriei acestora folosind un goniometru. Aceasta a presupus masurarea unghiurilor fetelor cristalelor una fata de alta, a axelor de referinta teoretice (axe cristalografice) si stabilirea simetriei cristalului in cauza. Pozitia in spatiul 3D a fiecarei fete de cristal este reprezentata pe o plasa stereografica, cum ar fi o plasa Wulff sau o plasa Lambert. Graficul final permite stabilirea simetriei cristalului.
Metodele cristalografice depind acum de analiza modelelor de difractie ale unui esantion vizat de un fascicul de un anumit tip. Razele X sunt cel mai frecvent utilizate; alte fascicule utilizate includ electroni sau neutroni. Cristalografii indica adesea in mod explicit tipul de fascicul utilizat, ca in termenii de cristalografie cu raze X, difractie neutronica si difractie electronica. Aceste trei tipuri de radiatii interactioneaza cu specimenul in moduri diferite.
- Razele X interactioneaza cu distributia spatiala a electronilor din proba.
- Electronii sunt particule incarcate si, prin urmare, interactioneaza cu distributia totala a sarcinii atat a nucleilor atomici, cat si a electronilor probei.
- Neutronii sunt imprastiati de nucleii atomici prin fortele nucleare puternice, dar in plus, momentul magnetic al neutronilor este diferit de zero. Prin urmare, ei sunt imprastiati si de campurile magnetice. Cand neutronii sunt imprastiati din materiale care contin hidrogen, produc modele de difractie cu niveluri ridicate de zgomot. Cu toate acestea, materialul poate fi tratat uneori pentru a inlocui hidrogenul cu deuteriu.
Datorita acestor forme diferite de interactiune, cele trei tipuri de radiatii sunt potrivite pentru diferite studii cristalografice.
Teorie
Prin tehnici conventionale de imagistica, cum ar fi microscopia optica, obtinerea unei imagini a unui obiect mic necesita colectarea luminii cu o lentila de marire. Rezolutia oricarui sistem optic este limitata de limita de difractie a luminii, care depinde de lungimea de unda a acesteia. Astfel, claritatea generala a hartilor de densitate electronica cristalografica rezultate, depinde in mare masura de rezolutia datelor de difractie, care pot fi clasificate ca: joasa, medie, inalta si atomica.
De exemplu, lumina vizibila are o lungime de unda de aproximativ 4000 pana la 7000 ångström, care este cu trei ordine de marime mai lunga decat lungimea legaturilor atomice tipice si a atomilor insisi (aproximativ 1 pana la 2 Å). Prin urmare, un microscop optic conventional nu poate rezolva dispunerea spatiala a atomilor intr-un cristal. Pentru a face acest lucru, am avea nevoie de radiatii cu lungimi de unda mult mai mici, cum ar fi raze X sau fascicule de neutroni.
Din pacate, focalizarea razelor X cu lentile optice conventionale poate fi o provocare. Oamenii de stiinta au reusit sa concentreze razele X cu placi microscopice din zona Fresnel realizate din aur si prin reflectarea unghiului critic in interiorul capilarelor lungi conice. Razele X sau razele de neutroni difractate nu pot fi focalizate pentru a produce imagini, asa ca structura esantionului trebuie reconstruita dupa modelul de difractie.
Modelele de difractie apar din interferenta constructiva a radiatiilor incidente (raze X, electroni, neutroni), imprastiate de caracteristicile periodice, repetate ale probei. Datorita structurii lor atomice foarte ordonate si repetitive (reteaua Bravais), cristalele difracteaza razele X intr-o maniera coerenta, denumita si reflexia lui Bragg.
Tehnici
Unele materiale care au fost analizate cristalografic, cum ar fi proteinele, nu apar in mod natural in forma de cristale. De obicei, astfel de molecule sunt plasate in solutie si lasate sa cristalizeze incet, prin difuzia vaporilor. O picatura de solutie care contine molecula, tamponul si precipitantii, este sigilata intr-un recipient, cu un rezervor care contine o solutie higroscopica.
Apa din picatura se difuzeaza catre rezervor, crescand incet concentratia si lasand sa se formeze un cristal. Daca concentratia ar creste mai repede, molecula ar precipita pur si simplu din solutie, rezultand mai degraba granule dezordonate decat un cristal ordonat si, prin urmare, utilizabil.
Odata obtinut un cristal, datele pot fi colectate folosind un fascicul de radiatii. Desi multe universitati care se angajeaza in cercetari cristalografice au propriul echipament de producere a razelor X, sincrotronii sunt adesea folositi ca surse de raze X, din cauza modelelor mai pure si mai complete pe care le pot genera astfel de surse.
Sursele de sincrotron au, de asemenea, o intensitate mult mai mare a fasciculelor de raze X, astfel incat colectarea datelor dureaza o fractiune din timpul necesar in mod normal la surse mai slabe. Tehnici complementare de cristalografie cu neutroni sunt utilizate pentru a identifica pozitiile atomilor de hidrogen, deoarece razele X interactioneaza foarte slab doar cu elemente usoare precum hidrogenul.
Producerea unei imagini dintr-un model de difractie necesita o matematica sofisticata si adesea un proces iterativ de modelare si rafinament. In acest proces, modelele de difractie prezise matematic ale unei structuri ipotetizate sau „model” sunt comparate cu modelul real generat de proba cristalina.
In mod ideal, cercetatorii fac cateva presupuneri initiale, care, prin rafinament, converg toate catre acelasi raspuns. Modelele sunt rafinate pana cand pattern-urile prezise se potrivesc la un grad cat mai mare posibil fara o revizuire radicala a modelului. Acesta este un proces minutios, facut mult mai usor astazi de computere.
Metodele matematice pentru analiza datelor de difractie se aplica doar modelelor, care la randul lor rezulta numai atunci cand undele se deosebesc de matricele ordonate. Prin urmare, cristalografia se aplica in cea mai mare parte numai cristalelor sau moleculelor care pot fi coaxiale pentru a cristaliza de dragul masurarii. In ciuda acestui fapt, o anumita cantitate de informatii moleculare poate fi dedusa din tiparele generate de fibre si pulberi, care, desi nu sunt la fel de perfecte ca un cristal solid, pot prezenta un grad de 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 dublu-elicoidala a ADN-ului a fost dedusa dintr-un model de difractie cu raze X care fusese generat de o proba fibroasa.
Stiinta Materialelor
Cristalografia este utilizata de oamenii de stiinta pe materiale, pentru a le putea caracteriza. In cristalele unice, efectele aranjamentului cristalin al atomilor sunt adesea usor de vazut macroscopic, deoarece formele naturale ale cristalelor reflecta structura atomica. In plus, proprietatile fizice sunt adesea controlate de defecte cristaline.
Intelegerea structurilor cristaline este o conditie prealabila importanta pentru intelegerea defectelor cristalografice. In cea mai mare parte, materialele nu apar ca un singur cristal, ci sub forma poli-cristalina (adica ca un agregat de cristale mici cu orientari diferite). Din aceasta cauza, metoda difractiei pulberii, care ia modele de difractie a probelor policristaline cu un numar mare de cristale, joaca un rol important in determinarea structurala.
Alte proprietati fizice sunt, de asemenea, legate de cristalografie. De exemplu, mineralele din argila formeaza structuri mici, plate, de forma platelara. Argila poate fi usor deformata, deoarece particulele asemanatoare placii pot aluneca una pe alta in planul placilor, dar raman puternic conectate in directia perpendiculara pe placi. Astfel de mecanisme pot fi studiate prin masuratori de textura cristalografica.
Intr-un alt exemplu, fierul se transforma dintr-o structura cubica (bcc) centrata pe corp numita ferita intr-o structura cubica (fcc) centrata pe fata numita austenita, atunci cand este incalzita. Structura fcc este o structura stransa, spre deosebire de structura bcc; astfel volumul fierului scade atunci cand se produce aceasta transformare.
Cristalografia este utila in identificarea fazelor. Atunci cand se fabrica sau se foloseste un material, este in general de dorit sa stim ce compusi si ce faze sunt prezente in material, deoarece compozitia, structura si proportiile lor vor influenta proprietatile materialului. Fiecare faza are un aranjament caracteristic al atomilor. Difractia cu raze X sau neutroni poate fi utilizata pentru a identifica ce tipare sunt prezente in material si, prin urmare, ce compusi sunt prezenti. Cristalografia acopera enumerarea modelelor de simetrie care pot fi formate de atomi intr-un cristal si din acest motiv este legata de teoria grupurilor.
Biologie
Cristalografia cu raze X este metoda primara pentru determinarea conformatiilor moleculare ale macromoleculelor biologice, in special a proteinelor si a acizilor nucleici precum ADN si ARN. De fapt, structura dublu-elicoidala a ADN-ului a fost dedusa din datele cristalografice. Prima structura cristalina a unei macromolecule a fost rezolvata in 1958, un model tridimensional al moleculei de mioglobina obtinut prin analiza cu raze X.
Protein Data Bank (PDB) este un depozit accesibil in mod liber pentru structurile proteinelor si a altor macromolecule biologice. Programe de calculator precum RasMol, Pymol sau VMD pot fi utilizate pentru a vizualiza structurile moleculare biologice. Cristalografia cu neutroni este adesea utilizata pentru a ajuta la rafinarea structurilor obtinute prin metode cu raze X sau pentru a rezolva o legatura specifica; metodele sunt adesea privite ca fiind complementare, intrucat razele X sunt sensibile la pozitiile electronilor si se disperseaza cel mai puternic de atomii grei, in timp ce neutronii sunt sensibili la pozitiile nucleului si se imprastie puternic chiar si pe multi izotopi usori, inclusiv hidrogen si deuteriu. Cristalografia electronica a fost utilizata pentru a determina unele structuri proteice, in special proteinele membranare si capsidele virale.
