Kristallografi

Röntgendiffraktion

Kristallstrukturen hittas nu genom analys av diffraktionsmönstren från ett prov som riktas mot en strål av något slag.

Tekniken uppfanns gemensamt av Sir William Bragg (1862-1942) och hans son Sir Lawrence Bragg (1890-1971), som tillsammans fick Nobelpriset i fysik 1915. Lawrence Bragg var den yngste som blev Nobelpristagare. Han var chef för Cavendish Laboratory vid Cambridge University när James D. Watson och Francis Crick upptäckte DNA:s struktur i februari 1953.

Röntgenstrålar är vanligast, men för vissa ändamål används elektroner eller neutroner. På grund av de olika formerna av växelverkan är de tre typerna av strålning lämpliga för olika kristallografiska undersökningar.

Teknik

Vissa material som studeras med hjälp av kristallografi, till exempel proteiner, förekommer inte naturligt i form av kristaller. Sådana molekyler placeras i en lösning och får kristallisera under dagar, veckor eller månader.

När en kristall har erhållits kan data samlas in med hjälp av en strålningsstråle. Även om röntgenutrustning är vanlig, använder kristallografin ofta speciella synkrotronljuskällor för att framställa röntgenstrålar. De producerar renare och mer kompletta mönster. Synkrotronljuskällor har också en mycket högre intensitet på röntgenstrålarna, så datainsamlingen tar en bråkdel av den tid som normalt krävs vid svagare källor.

Att skapa en bild från ett diffraktionsmönster kräver sofistikerad matematik.

De matematiska metoderna för analys av diffraktionsdata gäller endast för mönster, som i sin tur uppstår endast när vågor diffrakteras från ordnade matriser. Därför gäller kristallografi i stort sett bara kristaller eller molekyler som kan fås att kristallisera.

Trots detta kan en viss mängd molekylär information härledas från de mönster som skapas av fibrer och pulver. Till exempel har DNA:s dubbelhelikala struktur kunnat härledas från ett röntgendiffraktionsmönster som erhållits från ett fiberprov.

 

Elektrondiffraktion

Elektronkristallografi är en metod för att bestämma atomernas placering i fasta ämnen med hjälp av ett transmissionselektronmikroskop (TEM). Metoden uppfanns 1982 av Aaron Klug, som fick Nobelpriset i kemi för detta och för sina studier av virusstrukturer och överförings-RNA.

Den första elektronkristallografiska proteinstrukturen som uppnådde atomupplösning var bakteriorhodopsin 1990.

 
De tydliga skillnaderna mellan intensiteterna i diffraktionsfläckarna kan användas för att bestämma kristallstrukturen.  

Exempel

Kristallografi inom materialteknik

Kristallografi är ett verktyg som ofta används inom materialvetenskap. Förståelsen av kristallstrukturer är nödvändig för att förstå kristallografiska defekter.

Ett antal andra fysikaliska egenskaper är kopplade till kristallografi. Mineraler i lera bildar till exempel små, platta, plattliknande strukturer. Lera kan lätt deformeras eftersom de platteliknande partiklarna kan glida längs med varandra i plattornas plan, men ändå förbli starkt sammankopplade i riktningen vinkelrätt mot plattorna. Sådana mekanismer kan studeras genom kristallografiska texturmätningar.

Kristallografi omfattar de symmetriska mönster som kan bildas av atomer i en kristall.

Biologi

Röntgenkristallografi var den främsta metoden för att bestämma den molekylära 3D-strukturen hos biologiska makromolekyler. De viktigaste av dessa är enzymer och nukleinsyror som DNA och RNA. Faktum är att DNA:s dubbelhelixstruktur utarbetades utifrån kristallografiska data.

Den första kristallstrukturen av en makromolekyl löstes 1958 Protein Data Bank (PDB) är ett fritt tillgängligt arkiv för strukturer av proteiner och andra biologiska makromolekyler. Datorprogram kan användas för att visualisera biologiska molekylära strukturer.

Röntgenkristallografi har nu ersatts av elektronkristallografi för makromolekyler som inte bildar stora 3D-kristaller.

 
Ett exempel på ett kubiskt gitter