Kristalogrāfija

Kristalogrāfija (no grieķu vārdiem kristallon = auksta lāse / sasalusi lāse, šādā nozīmē ticis lietots visām caurspīdīgām cietvielām, un graphein = rakstīt) ir eksperimentāla zinātne, kas pēta atomu izkārtojumu cietvielā. Agrāk kristalogrāfiju definēja kā kristālu zinātnisko izpēti, kas ir šaurāks jēdziens.
Kristalogrāfija pēta arī simetrijas veidus, kādus vielā var veidot atomu izkārtojumi.

Pētījumu metodes

Agrāk, pirms rentgena staru difrakcijas metožu attīstības kristālus pētīja tikai balstoties uz to ārējo ģeometriju. Tika mērīti kristāla šķautņu leņķi attiecībā pret teorētiskajām atskaites kristalogrāfiskajām asīm un noteikta pētāmā kristāla simetrija. Šos pētījumus veic ar īpašu iekārtu - goniometru. Katras kristāla šķautnes pozīcija trīsdimensiju telpā tiek kartēta ar īpaša stereogrāfiskā tīkla, piemēram, Volfa tīkla vai Lamberta tīkla palīdzību, atliekot uz šī tīkla kristāla šķautņu polus. Katram tīklā atliktajam punktam tika piešķirts tā Millera indekss. Pabeigtā kristāla šķautņu polu kartēšana ļauj noteikt kristāla simetriju.
Mūsdienās plaši tiek pielietotas difrakcijas metodes, pētot ainu, kas rodas tad, kad kristāla paraugs tiek apstarots ar noteikta veida staru. Šim staram nav noteikti jābūt elektromagnētiskajam starojumam, tomēr visbiežāk tiek izmantoti rentgena stari. Atsevišķos gadījumos tiek lietoti arī elektroni vai neitroni. Kristalogrāfi mēdz skaidri norādīt pētījumu metodē izmantoto staru veidu, piemēram, sakot, ka pētījumiem tika izmantota rentgena staru difrakcija, neitronu difrakcija un elektronu difrakcija.
Trīs uzskaitītie starojuma tipi ar kristāla paraugu mijiedarbojas dažādā veidā. Rentgena stari mijiedarbojas ar valento elektronu telpisko izkliedi. Elektroni ir lādētas daļiņas un ar to palīdzību var noteikt lādiņa sadalījumu atoma kodolā un apkārtējos elektronos. Savukārt neitronus ietekmē atoma magnētiskais lauks.
Diemžēl kristālu atomārās uzbūves pētīšanai nevar lietot optiskā spektra gaismu - šāda starojuma viļņa garums ir pārāk liels salīdzinājumā ar atoma saišu garumu un pašiem atomiem. Tāpēc kristālu izpētei tiek lietoti starojuma veidi ar pēc iespējas īsāku viļņa garumu - piemēram, rentgena stari. Līdz ar to vairs netiek lietoti mikroskopi un netiek arī iegūti atomu attēli ierastajā vārda "attēls" izpratnē.
Pateicoties tam, ka kristāliem raksturīga stingra un cikliska atomu kārtība, kristāli ir ideāls materiāls cietvielas struktūras izpētei. Ja viens rentgena staru fotons atstarotos no viena elektrona, to nebūtu iespējams fiksēt. Taču daudzu rentgena staru fotonu atstarošanās no daudzu precīzi izkārtotā sistēmā novietotu atomu elektronu mākoņiem rada pietiekami spēcīgu signālu, ko ir iespējams fiksēt.

Praktiskais pielietojums

Kristalogrāfijas atziņas gūst reālu pielietojumu materiālu zinātnē un ģeoloģijā, jo sevišķi mineraloģijā, kā arī bioloģijā.
Kristālu ārējā forma ataino šī kristāla atomāro struktūru - šī atomārā struktūra lielā mērā nosaka materiāla fizikālās īpašības. Fizikālās īpašības lielā mērā nosaka arī raksturīgie kristāla defekti - un ir nepieciešama padziļināta izpratne par kristāla uzbūvi, lai izprastu šo defektu dabu.
Lielākā daļa materiālu fizikālo īpašību ir saistītas ar kristālu uzbūvi. Piemēram, māla frakcijas nogulumi mēdz veidot struktūras, kas sastāv no ļoti plāniem slānīšiem. Mālu viegli deformēt, jo šīs plātnītes viegli nobīdās attiecībā viena pret otru, tai pat laikā saglabājot stingru saikni plaknē, kas perpendikulāra šiem slānīšiem. Šādu materiāla uzvedību var pētīt tieši ar kristalogrāfiskiem tekstūras mērījumiem. Cits piemērs - dzelzs kristālu singonija siltuma ietekmē var transformēties no centrētas kubiskās singonijas uz malās centrētu kubisko singoniju. Šīs transformācijas rezultātā dzelzs atomi satuvinās un materiāla paraugs saraujas. Kristalogrāfijas metodes izmanto arī vielas fāzu satura noteikšanā dotajā materiālā.
Kristalogrāfija joprojām saglabā savu lielo nozīmi arī mineraloģijā. Kristalogrāfijas metodes tiek izmantotas minerālu noteikšanā, tai skaitā jaunu minerālu identificēšanā un agrāk reģistrētu minerālu esamības atkārtotai pārbaudei.
Ar kristalogrāfijas metodēm tiek pētītas arī organisko vielu makromolekulas, piemēram, olbaltumvielas, nukleīnskābes, tai skaitā DNS un ribonukleīnskābes. DNS raksturīgā dubultspirāles struktūra tika atklāta pateicoties kristalogrāfiskiem datiem.