בעשור השני של המאה ה-19 קיבץ הקריסטלוגרף הגרמני כריסטיאן סמואל וייס בספריו "קביעת האופי הגאומטרי העיקרי של צורות גבישיות" ו"סקירה של המחלקות הטבעיות השונות של מערכות הקריסטליזציה. רשימות האקדמיה למדעים של ברלין" את הגבישים לארבע מחלקות, בהתאם לארבע המערכות "קובייתי", "טטרגונלי", "הקסגונלי" ו"אורתורומבי" ב-1822 הוסיף אליהן המינרלוג הגרמני פרידריך מוס שתי מערכות נוספות בעלות זוויות שאינן ישרות ה"מונוקלינית" וה"טריקלינית".
בשנת 1818 מצא סר דייוויד ברוסטר שעל בסיס התכונות האופטיות ניתן לחלק את כל הגבישים לשלוש מחלקות והן: איזוטרופיים (לדוגמה מלח), חד־ציריים (לדוגמה קלציט) ודו־ציריים (לדוגמה נציץ).
כתוצאה מתבקשת מ"חוק האינדקסים היחסיים של פאות הגביש" של אאיאי הוכיח הקריסטלוגרף הגרמני יוהאן פרידריך כריסטיאן הסל (Johann Friedrich Christian Hessel 1871-1796) ב-1830 שבגביש יכולים להיות שלושים ושניים מחלקות סימטריה, או בשמן כיום חבורות סימטריות נקודתיות.
ב-1848 הראה הפיזיקאי והמתמטיקאי הצרפתי אוגוסט בראבה כי בשלושת הממדים של המבנה הגבישי קיימות 14 משפחות של סריגים. ארבע-עשרה המשפחות שתיאר קרויות על שמו - "סריגי בראבה".
ב-1867 פיתח הפיזיקאי הגרמני לאונרד זונקה את מושג החבורות הסימטריות המרחביות ופירט 65 חבורות. בדיעבד התברר כי רשימת החבורות המרחביות של זונקה הייתה חלקית משום שלא לקח בחשבון אלמנטים של סימטריה. את ההשמטה גילו שני אנשים שעבדו במקביל על מחקר אותו נושא מבלי שהיו מודעים תחילה זה לעבודתו של זה. המתמטיקאי הגרמני יהודי ארתור מוריץ שנפליס והמתמטיקאי והקריסטלוגרף הרוסי יבגראף סטפאנוביץ' פיודורוב. לאחר שהתברר להם כי הם עובדים על אותו נושא החלו חילופי מכתבים ביניהם וב-1891 הם הגיעו להסכמה כי יש להוסיף עוד 165 חבורות על הרשימה של זונקה, על מנת לקבל את סך כל 230 חבורות הסימטריות המרחביות המוכרות כיום.
קריסטלוגרפיה בעזרת קרני רנטגן.
ב-1912 הצליחו אסיסטנטים באוניברסיטת מינכן (LMU) ליצור תבנית עקיפה של קרני רנטגן בהקרנה על נחושת גופרתית. בעל הרעיון לניסוי היה הפיזיקאי הגרמני מקס פון לאואה שזכה עקב כך בפרס נובל לפיזיקה בשנת 1914. שנה אחר כך הצליח ויליאם לורנס בראג, פיזיקאי אנגלי יליד אוסטרליה, למצוא את הקשר בין המרחק שבין מישורי האטומים בגביש לבין הזווית שבין הכיוון המקורי של הקרניים המוקרנות לכיוונן של הקרניים המוחזרות, באמצעות נוסחה הקרויה כיום על שמו - חוק בראג (formula_1). תגלית זו פתחה תחום חדש לחלוטין של מחקר המבנה הפנימי של החומר, הקרוי קריסטלוגרפיה באמצעות קרני רנטגן. תגלית זיכתה את בראג בפרס נובל לפיזיקה לשנת 1915.
עם סיום מלחמת העולם הראשונה התחדש המחקר הקריסטלוגרפי באמצעות קרני רנטגן. מכיוון שהייתה זו השיטה הטובה ביותר לפענח מבנים של מולקולות, בתנאי שניתן לגבשם, צצו מרכזים למחקר בשיטה זו בגרמניה, בשווייץ, בצרפת, בארצות הברית, ובייחוד בבריטניה. השימוש בשיטה לא הוגבל יותר למחקר מבנה מינרלים. מכיוון שניתן לגבש תרכובות אי-אורגניות, ואפילו תרכובות אורגניות החל פענוח המבנה המרחבי של תרכובות אלו בשיטה זו. תהליך הפענוח השתפר בעקבות גילויים וניסוחם של סדרת כללים וחוקים פיזיקליים, ועקב המצאת שיטות שקיצרו את הזמן הנדרש לפענוח המבנה. ב-1913 ניסח המינרלוג והקריסטלוגרף הצרפתי ז'ורז' פרידל את חוק פרידל המתאר תכונה של התמרת פורייה של פונקציות ממשיות. ב-1934 הציע ארתור לינדו פטרסון תבנית המשמשת לפתרון בעיית הפאזה הקרויה פונקציית פטרסון על שמו. פאול פטר אוואלד הציע קשר בין אורך הגל זווית העקיפה והסריג ההופכי הקרוי על שמו כדור אוואלד. עד המצאת המחשב היה צריך לבצע סדרה של חישובים מסובכים והומצאו שיטות לקיצור התהליך כדוגמת רצועות ביוורס-ליפסון.
השיטה אפשרה פענוח מבנה של המינרלים הטבעיים, סייעה במטלורגיה בפענוח המבנה של מתכות, ואפשרה פענוח של המבנה המרחבי של מולקולות רבות. מעל ל-99% ממבני המולקולות המתועדים במאגר המידע המבני של קיימברידג', מאגר מידע ממוחשב המכיל, נכון ל-2010, מעל ל-400,000 מולקולות קטנות, פוענחו באמצעות עקיפה בקרני רנטגן. בנוסף, השיטה הובילה להבנה טובה יותר של מהות הקשרים הכימיים, ובאמצעותה נתגלו סוגי קשרים רבים נוספים. הקריסטלוגרפיה הייתה השיטה העיקרית לפענוח המבנה המרחבי של תרכובות אורגניות, ובאמצעותה פוענחו המבנים של חומצות אמינו וחלבונים. ההצלחה הגדולה ביותר של הקריסטלוגרפיה הייתה ב-1953 שעה שפוענח המבנה המרחבי של ה-DNA באמצעותה. הקריסטלוגרפיה שימשה גם לפענוח מבנים ביולוגיים מורכבים כדוגמת נגיפים או הריבוזום.
התפתחות הענף הובילה באופן טבעי להתאגדות בין המדענים העוסקים בענף. האיגוד הבינלאומי לקריסטלוגרפיה הוקם בשנת 1948, והוא אחראי להוצאת כתב העת Acta Crystallographica (שעם השנים הוחלט שבשל כמות המאמרים הגדולה שהגיעה למערכת יש לפצלו, ונכון ל-2010 הוא כולל שישה כתבי עת שונים), להוצאת ספרים בתחום, ליזום תקינה של שיטות, מונחים ויחידות מידה, ולארגן כנס בינלאומי המתרחש אחת ל-3 שנים במדינה אחרת.
עדות לשימוש הנרחב בשיטה אפשר לראות במספר הגדול של זוכי פרס נובל בשל תרומתם לקריסטלוגרפיה או שתגליותיהם התבססו על הקריסטלוגרפיה, נכון ל-2011 מונה אתר האיגוד הבינלאומי לקריסטלוגרפיה 40 שמות של זוכים הקשורים לתחום.
תאוריה.
בדרך כלל נוהגים ליצור הדמיה של עצם קטן מאוד באמצעות עדשות שבעזרתן ממקדים קרניים של האור הנראה וקבלת ההדמיה במיקרוסקופ. אורך הגל של האור הנראה (בין 4,000 ל-7,000 אנגסטרם) גדול בשלושה סדרי גודל מאורך קשר כימי טיפוסי ומהאטומים עצמם (בערך בין אחד לשני אנגסטרם). לפי כך, על מנת לקבל מידע על הגביש הנבדק חייבים להשתמש בקרינה בעלת אורך גל קצר יותר, כדוגמת קרינת רנטגן. השימוש באורכי גל קצרים אינו אפשרי במיקרוסקופ, משום שלא קיים חומר שממנו ניתן לייצר עדשות המסוגלות למקד קרינה מסוג זה. (בניגוד לטענה מקובלת זו השיגו מדענים הצלחה חלקית במיקוד קרני רנטגן בטבלת טבעות על שם פרנל (Fresnel zone plate) מצופה בזהב). שימוש בדימות מבוסס עקיפה נעשה שימוש באורכי גל קצרים מדי מכדי שניתן יהיה למקדם על מנת ליצור הדמיה, יש לשחזר את המבנה מתוך תבניות העקיפה.
גבישים הם החומר האידיאלי לניתוח מבנה של מוצקים, בשל מבנם המסודר מאוד והמחזורי הגורם לכך שבתבניות העקיפה שלהם מופיעים סימנים בולטים. פוטון יחיד של קרינת רנטגן העוקף עננת אלקטרון אחת לא ייצר אות חזק מספיק על מנת שציוד יוכל לחוש בו. לעומת זאת, קרני רנטגן מרובות העוקפות עננות אלקטרונים רבות, בערך באותו מיקום וכיוון יחסיים דרך הגביש, ייצרו התאבכות (בונה או הורסת) ולכן ייווצרו סימנים על תבנית העקיפה שניתן להבחין בהם, ולנתח מהם את מבנה הגביש.
טכניקה.
כמה מהתרכובות שנחקרו בעזרת קריסטלוגרפיה, לדוגמה, חלבון, אינן מופיעות באופן טבעי כגבישים. לכן בדרך כלל נוהגים להשרות תרכובות אלו בתמיסה על מנת לאפשר להן להתגבש במשך ימים, שבועות, או חדשים באמצעות פעפוע (דיפוזיה) של אדים. טיפת תמיסה המכילה את המולקולות אותן רוצים לחקור, ממברנה וחומר מגבש נחתמים בתוך מכל יחד עם מאגר המכיל חומר היגרוסקופי (סופח מים). המים בתמיסה מפעפעים באיטיות למאגר ובהדרגה ריכוז החומר עולה ומתאפשרת יצירת גביש. אם הריכוז היה מתגבר בקצב מהיר יותר היו המולקולות שבתמיסה מתגבשות בצורת גרגרים חסרי סדר במקום הגביש המסודר המאפשר את המחקר.
החל מהרגע שנוצר מהחומר גביש ניתן לאסוף עליו מידע בעזרת הקרנת החומר. אף על פי שלאוניברסיטאות רבות העוסקות במחקר קריסטלוגרפי יש ציוד המייצר קרני רנטגן, נעשה בדרך כלל שימוש בסינכרוטרון כמקור לקרני רנטגן משום שהוא מייצר קרניים בעלות אורכי גל קצרים יותר, אשר מאפשרות קביעת דיפרקציה של מולקולה ברזולוציה גבוהה יותר. בנוסף, הסינכרוטרון פולט קרני רנטגן בעוצמה גבוהה הרבה יותר ולכן זמן איסוף המידע מתקצר בצורה משמעותית בהשוואה לשימוש במקורות רגילים הפולטים קרינה חלשה הרבה יותר.
יצירת תדמית מתבנית עקיפה דורשת מתמטיקה מורכבת ולעיתים תהליך חוזר ונשנה של "הכנת מודל ועידונו". בתהליך זה תבניות העקיפה החזויות של מבנה המודל ההיפותטי שנבנו מתמטית מושוות לתבניות העקיפה בפועל שהופקו מדגימת הגביש. במצב האידיאלי מציעים החוקרים כמה ניחושים ראשוניים שבתהליך עידון מתלכדים לאותו הפתרון. את המודלים משפרים עד שהתבניות החזויות שלהם תואמות את התבנית בפועל במידה הגדולה ביותר הניתנת ליישום מבלי לבצע תיקון רדיקלי במודל. זהו תהליך ממושך ומייגע שנעשה קל יותר כיום בעזרת השימוש במחשבים.
השיטות המתמטיות לאנליזה של המידע על העקיפה פועלות רק על "תבניות", המתקבלות רק אם הגלים עוקפים מערכים מסודרים, ולכן קריסטלוגרפיה ניתנת ליישום לרוב רק על גבישים, או מולקולות שניתן לגרום לגיבושן למטרת המדידה. למרות זאת, ניתן להסיק כמות מידע מסוימת על המולקולות בעזרת תבניות הנוצרות מסיבים ומאבקות, שאף על פי שאינם מושלמים כמו גביש מוצק מפגינים מידה מסוימת של סדר. מידת סדר זו מספיקה על מנת להסיק את המבנה של מולקולות פשוטות, או לקבוע באופן גס את המבנה של מולקולות מסובכות יותר (את מבנה הסליל הכפול של ה-DNA למשל הסיקו מתוך תבנית עקיפה של קרני רנטגן שנוצרה מדגימה סיבית).
קריסטלוגרפיה בהנדסת חומרים.