Kristallografie

Kristallografie ist die Wissenschaft von der Anordnung der Atome in kristallinen Stoffen und der Nutzung dieser Strukturen zur Bestimmung von Form, Symmetrie und Eigenschaften der Materialien. Zentral ist das Kristallgitter, eine periodische Anordnung von Bausteinen, aus der sich die Substanz durch Wiederholung ableiten lässt. Die Einheitszelle und die Raumgruppe beschreiben Struktur im Realraum und im Reciprocalraum.

Historisch markierten die Entdeckung der Röntgenstrahlung und die Beugung durch Kristalle zentrale Meilensteine. 1912–1913 führten Max von Laue sowie die Braggs (W. L. Bragg, W. H. Bragg) die Röntgenkristallografie zur Bestimmung von Kristallstrukturen ein, wodurch die moderne Kristallographie entstanden ist.

Hauptmethoden: Die verbreitetste Form ist die Röntgenkristallografie an Einzelkristallen. Ein Kristall wird mit Röntgenstrahlen bestrahlt; das Beugungsmuster liefert über Phasenbestimmung und Fourier-Synthese die Elektronendichte und damit die Atompositionen. Die Röntgenpulverdiffraktometrie (PXRD) ermöglicht Strukturanalysen aus Pulverproben. Elektronenbeugung, etwa im Transmissionselektronenmikroskop (TEM) und speziell MicroED, ergänzt die Möglichkeiten bei sehr kleinen Kristallen. Neutronenbeugung ist wichtig, um leichte Atome wie Wasserstoff zu lokalisieren. Die Auswertung erfolgt mit Modellierung, Phasenbestimmung und Verfeinerung, oft mithilfe von Software, und die Qualität wird durch R-Faktoren bewertet.

Prozess: Kristallwachstum ist oft der limitierende Schritt; danach Datenerfassung, Strukturlösung, Verfeinerung und Validierung. Synchrotronquellen erhöhen Beugungsintensität und Auflösung und ermöglichen Strukturen, die mit Laborquellen schwer zugänglich sind.

Anwendungsfelder umfassen Chemie, Biologie (Proteinkristallografie), Pharmazie, Materialwissenschaften und Mineralogie. Sie dient dem Verständnis von Bindungsverhältnissen, Funktion und Eigenschaften von Materialien und unterstützt die Entwicklung neuer Substanzen und Wirkstoffe.