Die Röntgenkristallographie ist eine Technik zur Bestimmung der atomaren und molekularen Struktur eines Kristalls, wobei die Kristallstruktur den Vorfall verursacht Röntgen Strahl in viele bestimmte Richtungen beugen. Durch die Messung des Winkels und der Intensität dieser gebeugten Strahlen können Kristallographen ein dreidimensionales Bild der Elektronendichte im Kristall erstellen. Anhand dieser Elektronendichte lässt sich die durchschnittliche Position der Atome im Kristall sowie ihre chemischen Bindungen, ihre kristallographischen Hindernisse und verschiedene andere Informationen bestimmen.
Da viele Materialien Kristalle bilden können – etwa Salze, Metalle, Mineralien, Halbleiter und eine Vielzahl anorganischer, organischer und Biomoleküle – ist die Röntgenkristallographie zur Grundlage für Entwicklungen in vielen Bereichen der Wissenschaft geworden. In den ersten Jahrzehnten ihrer Anwendung bestimmte die Methode die Größe von Atomen, die Länge und Art der chemischen Bindungen sowie die Unterschiede auf atomarer Ebene zwischen verschiedenen Materialien, insbesondere Mineralien und Legierungen. Die Methode hat auch die Struktur und Funktion vieler Biomoleküle aufgeklärt, darunter Vitamine, Medikamente, Proteine und Nukleinsäuren wie DNA.Röntgenkristallographiebleibt die wichtigste Methode zur Charakterisierung der atomaren Struktur neuer Materialien und zur Identifizierung von Materialien, die in anderen Experimenten ähnlich aussehen. Röntgenkristallstrukturen können auch ungewöhnliche elektronische oder elastische Eigenschaften von Materialien erklären, chemische Wechselwirkungen und Prozesse beleuchten oder als Grundlage für die Entwicklung von Medikamenten gegen Krankheiten dienen.
InEinkristall Röntgenbeugung Für Messungen wird der Kristall auf einem Goniometer montiert. Mit dem Goniometer wird der Kristall in die gewählte Richtung positioniert. Der Kristall wird mit einem fein fokussierten monochromatischen Röntgenstrahl beleuchtet, der ein Beugungsmuster aus regelmäßig beabstandeten Punkten erzeugt, das als Reflexion bezeichnet wird. Die mathematische Methode der Fourier-Transformation wird verwendet, um zweidimensionale Bilder, die in unterschiedlichen Ausrichtungen aufgenommen wurden, in ein dreidimensionales Modell der Elektronendichte im Kristall umzuwandeln, kombiniert mit bekannten chemischen Daten der Probe. Wenn der Kristall zu klein ist oder die innere Struktur nicht gleichmäßig genug ist, kann es zu einer Auflösung (Unschärfe) und sogar zu Fehlern kommen.
Die Röntgenkristallographie ist mit mehreren anderen Methoden zur Bestimmung der Struktur von Atomen verwandt. Ähnliche Beugungsmuster können durch Streuung von Elektronen oder Neutronen erzeugt werden, die ebenfalls durch die Fourier-Transformation erklärt werden. Wenn kein Einkristall ausreichender Größe erhalten werden kann, können verschiedene andere Röntgenmethoden angewendet werden, um weniger detaillierte Informationen zu erhalten. Zu diesen Methoden gehören Faserbeugung,Pulverbeugungund (wenn die Probe nicht kristallisiert ist) Röntgenkleinwinkelstreuung (SAXS). Wenn das untersuchte Material nur in Form von Nanokristallpulver vorliegt oder eine schlechte Kristallinität aufweist, können Methoden der elektronischen Kristallographie zur Bestimmung der Atomstruktur eingesetzt werden.
Für alle oben genannten PunkteRöntgenbeugung Methoden, Streuung ist elastisch; Die gestreuten Röntgenstrahlen haben die gleiche Wellenlänge wie die einfallenden Röntgenstrahlen. Im Gegensatz dazu können Methoden der inelastischen Röntgenstreuung verwendet werden, um die Anregung von Proben wie Plasmonen, Kristallfeld- und Orbitalanregung, Magnetonen und Phononen und nicht die Verteilung von Atomen zu untersuchen.