Κρυσταλλογραφία ακτίνων Χ
Η κρυσταλλογραφία ακτίνων Χ είναι ένα εργαλείο που χρησιμοποιείται για την ταυτοποίηση της ατομικής και μοριακής δομής ενός κρυστάλλου. / From Wikipedia, the free encyclopedia
Η κρυσταλλογραφία ακτίνων Χ (X-ray crystallography) είναι ένα εργαλείο που χρησιμοποιείται για την ταυτοποίηση της ατομικής και μοριακής δομής ενός κρυστάλλου, στον οποίο τα κρυσταλλικά άτομα προκαλούν σε μια δέσμη προσπιπτουσών ακτίνων Χ να περιθλάται σε πολλές ειδικές κατευθύνσεις. Μετρώντας τις γωνίες και τις εντάσεις αυτών των περιθλώμενων δεσμών, ένας κρυσταλλογράφος μπορεί να παράξει μια τρισδιάστατη εικόνα της πυκνότητας των ηλεκτρονίων στον κρύσταλλο. Από αυτήν την ηλεκτρονική πυκνότητα, μπορούν να προσδιοριστούν οι μέσες θέσεις των ατόμων στον κρύσταλλο, καθώς και οι χημικοί δεσμοί τους, η αταξία και διάφορες άλλες πληροφορίες.
Επειδή πολλά υλικά μπορούν να σχηματίσουν κρυστάλλους — όπως άλατα, μέταλλα, ορυκτά, ημιαγωγοί, καθώς και διάφορα ανόργανα, οργανικά και βιολογικά μόρια — η κρυσταλλογραφία ακτίνων Χ είναι βασική στην ανάπτυξη πολλών επιστημονικών πεδίων. Στις πρώτες δεκαετίες χρήσης της, αυτή η μέθοδος καθόριζε το μέγεθος των ατόμων, τα μήκη και τους τύπους των χημικών δεσμών και τις διαφορές ατομικής κλίμακας μεταξύ διαφόρων υλικών, ιδιαίτερα ορυκτών και κραμάτων. Η μέθοδος αποκάλυψε επίσης τη δομή και τη λειτουργία πολλών βιολογικών μορίων, συμπεριλαμβανομένων των βιταμινών, φαρμάκων, πρωτεϊνών και νουκλεϊκών οξέων όπως το DNA. Η κρυσταλλογραφία ακτίνων Χ εξακολουθεί να είναι ακόμα η κύρια μέθοδος χαρακτηρισμού της ατομικής δομής νέων υλικών και στη διάκριση υλικών που φαίνονται όμοια με άλλα πειράματα. Οι κρυσταλλικές δομές (crystal structures) με ακτίνες Χ μπορούν επίσης να εξηγούν ασυνήθιστες ηλεκτρονικές ή ελαστικές ιδιότητες υλικών, να ρίχνει φως σε χημικές αλληλεπιδράσεις και διεργασίες, ή να χρησιμεύει ως η βάση για σχεδίαση φαρμάκων.
Σε μέτρηση περίθλασης ακτίνων Χ μοναδικού κρυστάλλου, ένας κρύσταλλος τοποθετείται σε γωνιόμετρο (goniometer). Το γωνιόμετρο χρησιμοποιείται για να τοποθετήσει τον κρύσταλλο σε επιλεγμένους προσανατολισμούς. Ο κρύσταλλος βομβαρδίζεται με εστιασμένη με ακρίβεια μονοχρωματική δέσμη ακτίνων Χ, παράγοντας πρότυπο περίθλασης κανονικά διαταγμένων σημείων γνωστών ως ανακλάσεις (reflections). Οι δισδιάστατες εικόνες που λαμβάνονται με διαφορετικές περιστροφές μετατρέπονται σε τρισδιάστατα πρότυπα πυκνότητας ηλεκτρονίων του κρυστάλλου χρησιμοποιώντας τη μαθηματική μέθοδο μετασχηματισμών Φουριέ, σε συνδυασμό με γνωστά χημικά δεδομένα του δείγματος. Εάν οι κρύσταλλοι είναι πολύ μικροί μπορεί να προκύψει χαμηλή ανάλυση (ασάφεια) ή ακόμα και σφάλματα, ή μη αρκετή ομοιομορφία στην εσωτερική τους σύσταση.
Η κρυσταλλογραφία ακτίνων Χ είναι συγγενής με αρκετές άλλες μεθόδους στον προσδιορισμό ατομικών δομών. Παρόμοια μοτίβα περίθλασης μπορούν να παραχθούν με σκέδαση ηλεκτρονίων ή νετρονίων, που ερμηνεύονται παρομοίως με μετασχηματισμό Φουριέ. Εάν μεμονωμένοι κρύσταλλοι επαρκούς μεγέθους δεν μπορούν να ληφθούν, διάφορες άλλες μέθοδοι ακτίνων Χ μπορούν να εφαρμοστούν για τη λήψη λιγότερο λεπτομερών πληροφοριών· τέτοιες μέθοδοι περιλαμβάνουν περίθλαση ίνας (fiber diffraction), περίθλαση σκόνης (powder diffraction) και (εάν το δείγμα δεν είναι κρυσταλλοποιημένο) σκέδαση ακτίνων Χ μικρής γωνίας (small-angle X-ray scattering ή SAXS). Εάν το εξεταζόμενο υλικό είναι διαθέσιμο μόνο με μορφή νανοκρυσταλλικής σκόνης ή πάσχει από πτωχή κρυσταλλικότητα, μπορούν να εφαρμοστούν οι μέθοδοι της ηλεκτρονικής κρυσταλλογραφίας (electron crystallography) για τον καθορισμό της ατομικής δομής.
Για όλες τις παραπάνω αναφερόμενες μεθόδους περίθλασης ακτίνων Χ, η σκέδαση είναι ελαστική· Οι σκεδαζόμενες ακτίνες Χ έχουν το ίδιο μήκος κύματος με τις εισερχόμενες ακτίνες Χ. Αντίθετα, οι μέθοδοι "μη ελαστικής" σκέδασης ακτίνων Χ, είναι χρήσιμες στη μελέτη διεγέρσεων του δείγματος, αντί για την κατανομή των ατόμων.