Rendgenska kristalografija

Rendgenska kristalografija ili X-zračna kristalografija (XRC) je eksperimentalna nauka koja određuje atomsku i molekulsku strukturu kristala, u kojoj kristalna struktura uzrokuje snop pada X-zraka do difrakcije u mnogim specifičnim smjerovima. Mjerenjem uglova i intenziteta ovih difraktiranih zraka, kristalograf može stvoriti trodimenzijsku sliku gustoće elektrona unutar kristala. Iz ove gustoće elektrona mogu se odrediti srednji položaji atoma u kristalu, kao i njihove hemijske veze, njihovi kristalografski poremećaji i razne druge informacije.

Rendgenski difraktometar u prahu u pokretu

Budući da mnogi materijali mogu formirati kristale – poput soli, metala, minerala, poluvodiča, kao i različitih neorganskih, organskih i bioloških molekula – kristalografija rendgenskih zraka bila je temeljna u razvoju mnogih znanstvenih područja. U prvim desetljećima korištenja, ovaj metod odredio je veličinu atoma, dužine i vrste hemijskih veza, te razlike u atomskoj skali između različitih materijala, posebno minerala i legura. Metod je također otkrio strukturu i funkciju mnogih bioloških molekula, uključujući vitamine, lijekove, proteine i nukleinske kiseline, poput DNK. Rendgenska kristalografija i dalje je primarni metod za karakteriziranje atomske strukture novih materijala i za razaznavanje materijala koji izgledaju slično u drugim eksperimentima. Rendgenski zraci kristalne strukture također mogu objasniti neobična elektronska ili elastična svojstva materijala, rasvijetliti hemijske interakcije i procese ili poslužiti kao osnova za dizajniranje lijekova protiv bolesti.

U mjerenju difrakcije X-zraka s jednim kristalom, kristal se postavlja na goniometar. Goniometar se koristi za postavljanje kristala na odabrane orijentacije. Kristal je osvijetljen fino fokusiranim monohromatskim snopom rendgenskih zraka, stvarajući difrakcijski uzorak pravilno raspoređenih obojenja poznatih kao refleksije. Dvodimenzijskee slike snimljene na različitim orijentacijama pretvaraju se u trodimenzijski model gustoće elektrona unutar kristala koristeći matematički metod Fourierovih transformacija, u kombinaciji s hemijskim podacima poznatim za uzorak. Loša rezolucija (nejasnoće) ili čak greške mogu nastati ako su kristali premali ili nisu dovoljno jednolični u svom unutrašnjem sastavu.

Kristalografija rendgenskih zraka povezana je s nekoliko drugih metoda za određivanje atomskih struktura. Slični uzorci difrakcije mogu se stvoriti raspršivanjem elektrona ili neutrona, koji se na sličan način tumači Fourierova transformacija. Ako se ne mogu dobiti monokristali dovoljne veličine, mogu se primijeniti razni drugi metodi rentgenskog snimanja kako bi se dobile manje detaljne informacije; takvi metodi uključuju difrakciju vlakana, difrakciju praha i (ako uzorak nije kristaliziran) rasipanje rendgenskih zraka pod malim uglom (SAXS).

Ako je materijal koji se ispituje dostupan samo u obliku nanokristalnih prahova ili ima lošu kristalnost, za određivanje atomske strukture.mogu se primijeniti metodi elektronske kristalografije. Za sve gore navedene metode difrakcije X-zraka, rasipanje je elastično; raspršeni rendgenski zraci imaju istu talasnu dužinu kao i dolazni rendgenski snimak. Nasuprot tome, metodi sa neelastičnim raspršivanjem rendgenskih zraka korisni su u proučavanju pobuda uzorka kao što su plazmoni, pobude kristalnog polja i orbite, magnoni i fononi, umjesto distribucije njegovih atoma.^[1]

Nobelove nagrade koje uključuju rendgensku kristalografiju

Godina	Laureat	Oblast	Obrazloženje
1914.	Max von Laue	Fizika	"Za otkriće difrakcije X-zraka kristalima",[2] važan korak u razvoju rendgenske spektroskopije.
1915.	William Henry Bragg	Fizika	"Za zasluge u analizi kristalne strukture pomoću rendgenskih zraka"[3]
1915.	William Lawrence Bragg	Fizika	"Za zasluge u analizi kristalne strukture pomoću rendgenskih zraka"[3]
1962.	Max F. Perutz	Hemija	"Za proučavanje struktura globulskih proteina"[4]
1962.	John C. Kendrew	Hemija	"Za proučavanje struktura globularnih proteina "[4]
1962.	James Dewey Watson	Medicina	"Za otkrića u vezi sa molekulskom strukturom nukleinskih kiselina i njihovog značaja za transfrer informacija u živom materijalu"[5]
1962.	Francis Harry Compton Crick	Medicina	"Za otkriće molekulske strukture nukleinskih kiselina i nihovog značaja u transferu informacija u živom materijalu"[5]
1962.	Maurice Hugh Frederick Wilkins	Medicina	"Za otkriće molekulske strukture nukleinskih kiselina i nihovog značaja u transferu informacija u živom materijalu"[5]
1964.	Dorothy Hodgkin	Hemija	"Za odeređivanje struktura značajnih biohemijskih supstanci, pomoću trhnila X-zraka"[6]
1972.	Stanford Moore	Hemija	"Za doprinos razumijevanju veze između hemijske strukture i katalitske aktivnosti aktivnog centra molekula ribonukleaza"[7]
1972.	William H. Stein	Hemija	"Za doprinos razumijevanju veze između hemijske strukture i katalitske aktivnosti aktivnog centra molekula ribonukleaza"[7]
1976.	William N. Lipscomb	Hemija	"Za studije o strukturi borana, rasvjetljavajućim problemima hemijskih veza"[8]
1985.	Jerome Karle	Hemija	"Za izuzetna dostignuća u razvoju direktnog metoda za određivanje kristalnih struktura"[9]
1985.	Herbert A. Hauptman	Hemija	"Za izuzetna dostignuća u razvoju direktnog metoda za određivanje kristalnih struktura "[9]
1988.	Johann Deisenhofer	Hemija	"Za određivanje trodimenzijske strukture fotosintetskog reakcijskog centra"[10]
1988.	Hartmut Michel	Hemija	"Za određivanje trodimenzijske strukture fotosintetskog reakcijskog centra"[10]
1988.	Robert Huber	Chemistry	"Za određivanje trodimenzijske strukture fotosintetskog reakcijskog centra"[10]
1997.	John E. Walker	Hemija	"Za objašnjenje enzimskog mehanizma u osnovi sinteze adenozin-trifosfata (ATP)"[11]
2003	Roderick MacKinnon	Hemija	"Za otkrića u vezi sa kanalima u ćelijskim membranama [...] za otkriće vodenih kanala"[12]
2003.	Peter Agre	Hemija	"Za otkrića u vezi sa kanalima u ćelijskim membranama [...] za otkriće vodenih kanala“[12]
2006.	Roger D. Kornberg	Hemija	"Za proučavanja molekulske osnove eukariotske transkripcije"[13]
2009.	Ada E. Yonath	Hemija	"Za proučavanje strukture i funkcije ribosoma"[14]
2009.	Thomas A. Steitz	Hemija	"Za proučavanje strukture i funkcije ribosoma"[14]
2009.	Venkatraman Ramakrishnan	Hemija	"Za proučavanje strukture i funkcije ribosoma"[14]
2012.	Brian Kobilka	Hemija	"Za studije o G-protein-spregnutih receptora"[15]

Aplikacije

Rendgenska difrakcija ima široku i raznovrsnu primjenu u hemijskim, biohemijskim, fizičkim, materijalnim i mineraloškim znanostima. Laue je 1937. tvrdio da je tehnika "proširila moć promatranja minutne strukture deset hiljada puta više od one koju nam daje mikroskop".^[16] Difrakcija rendgenskih zraka analogna je mikroskopu s rezolucijom na atomskom nivou koji prikazuje atome i njihovu raspodjelu elektrona.

Difrakcija rendgenskih zraka, elektronska difrakcija i neutronska difrakcija daju informacije o strukturi tvari, kristalnoj i nekristalnoj, na atomskoj i molekulskoj razini. Osim toga, ovi metodi mogu se primijeniti u proučavanju svojstava svih materijala, neorganskih, organskih ili bioloških. Zbog važnosti i raznolikosti primjena, studija difrakcije kristala, za takve studije dodijeljene su mnoge Nobelove nagrade (za medicinu, hemiju i fiziku).^[17]

Također pogledajte

• Kristalografija
• Beevers – Lipsonova traka
• Braggova difrakcija
• Kristalografska baza podataka
• Grupe kristalografskih tačaka
• Karta razlika u gustoći
• Elektronska difrakcija
• Energetsko disperzivna rendgenska difrakcija
• Flackov parametar
• Hendersonovo ograničenje
• Format višepolne gustoće
• Neutronska difrakcija
• Difrakcija praha
• Ptihografija
• Scherrerova jednadžba
• Rasipanje rendgenskih zraka pod malim uglom
• Određivanje strukture
• Ultrabrzi rendgen
• Širokougaono rasipanje rendgenskih zraka (WAXS)