Krystalografi

Krystalografi är vetenskapen som studerar hur atomer är ordnade i kristaller och hur deras uppbyggnad kan bestämmas genom hur kristaller diffrakterar strålning, oftast röntgenstrålar. Genom diffraktionsmönster kan man rekonstruera atompositioner och därigenom förstå kemiska föreningars och materialens egenskaper. Kristallografi är central inom kemi, biologi, materialvetenskap och geovetenskap.

Historiskt växte fältet fram i början av 1900-talet med upptäckterna av röntgendiffraktion i kristaller av Max von Laue samt arbeten av Bragg-paret (William Henry Bragg och William Lawrence Bragg). Bragglagen, nλ = 2d sin θ, beskriver hur diffraktionsvågor svarar mot kristallplan och deras planavstånd. Genom att mäta flera reflexer kan man bestämma enhetscellens storlek och kristallens symmetri. Detta lade grunden för att avgöra molekylära strukturer.

Metoderna omfattar huvudsak röntgenkristallografi på isolerade kristaller. Andra tekniker inkluderar neutronkristallografi och elektronkristallografi. För att lösa fasproblemet används direkta metoder, Patterson-metoder eller modellbaserade fasslösningar och refinering. Efter initial lösning genomförs refinering där atompositioner, binden och elektrontätheter justeras tills modellen bäst överensstämmer med diffraktionsdata. Validering görs med olika mått på hur väl modellen passar data och med kartor över elektrontäthet.

Nyckelbegrepp inkluderar enhetscell, gitter och det reciproka gittert samt kristallernas symmetri och hur olika uppsättningar atomer uppför sig i olika konstellationer. Resultaten publiceras i databaser och används inom läkemedelsdesign, materialutveckling, kemi och geovetenskap, samt i biologisk forskning som fasta proteinstrukturer och mekanismer hos biomolekyler.