స్పటిక శాస్త్రం

స్పటిక శాస్త్రం (Crystallography) అనేది ఒక ముఖ్యమైన విజ్ఞాన శాస్త్ర విభాగం. ఘనపదార్థాలలో అణువులు ఏ విధంగా అమర్చబడి ఉంటాయో ఈ శాస్త్రం వివరిస్తుంది. ముఖ్యంగా, ఇది స్పటిక నిర్మాణాలను (crystals) గురించి లోతుగా అధ్యయనం చేస్తుంది. ఈ రంగంలో పనిచేసే శాస్త్రవేత్తలు పదార్థాల ఆకారాలు, వాటి లోపల ఉండే అమరికలు, మరియు ఆ పదార్థాల గుణగణాలను పరిశీలిస్తారు.

ఈ పేరు రెండు ప్రాచీన గ్రీకు పదాల నుండి వచ్చింది. మొదటి పదం 'క్రిస్టలోస్' (krystallos), దీని అర్థం "స్వచ్ఛమైన మంచు" లేదా "రాతి స్పటికం". రెండో పదం 'గ్రాఫిన్' (graphein), దీని అర్థం "రాయడం". 2012 సంవత్సరంలో, ఐక్యరాజ్యసమితి ఈ శాస్త్రం చాలా ముఖ్యమైనదని గుర్తించింది. అందుకే 2014 సంవత్సరాన్ని "అంతర్జాతీయ స్పటిక శాస్త్ర సంవత్సరం"గా ప్రకటించింది.[ UN announcement "International Year of Crystallography"]. iycr2014.org. 12 July 2012

స్పటిక శాస్త్రం అనేది చాలా పెద్ద విషయం. దీనిలో అత్యంత ప్రసిద్ధమైన భాగం ఎక్స్-రే క్రిస్టలోగ్రఫీ. ఈ విభాగం స్పటిక నిర్మాణం ప్రాథమిక విషయాల నుండి, స్పటికాల ఆకృతికి సంబంధించిన గణితం వరకు అన్నింటినీ అధ్యయనం చేస్తుంది. ఇది క్వాసీ క్రిస్టల్స్ గురించి కూడా వివరిస్తుంది. సాధారణ స్పటికాల్లో అణువుల అమరిక క్రమంగా పునరావృతం అవుతుంది, కానీ క్వాసీ క్రిస్టల్స్‌లో ఈ అమరిక పూర్తిస్థాయిలో పునరావృతం కాదు.

చాలా చిన్న స్థాయిలో పరిశీలించినప్పుడు, శాస్త్రవేత్తలు ఎక్స్-రే వివర్తనం (X-ray diffraction) ఉపయోగిస్తారు. ఇది అణువులు ఖచ్చితంగా ఎక్కడ ఉన్నాయో చూడటానికి సహాయపడుతుంది. పెద్ద స్థాయిలో చూసేటప్పుడు, వారు ఎలక్ట్రాన్ మైక్రోస్కోప్ వంటి పరికరాలను వాడుతారు. పదార్థంలోని వేర్వేరు రేణువులు ఒకదానితో ఒకటి ఎలా కలిసి ఉన్నాయో ఇవి చూపిస్తాయి. ఈ శాస్త్రం జీవశాస్త్రం, రసాయన శాస్త్రం, భౌతిక శాస్త్రం వంటి రంగాలలో ఎంతో కీలకమైనది.International Union of Crystallography. "IUCrJ Scope." IUCr Journals. 

 చరిత్ర-కాలక్రమం 

1900వ సంవత్సరానికి ముందు, ప్రజలు స్పటికాలను వాటి బయటి ఆకారాన్ని బట్టి మాత్రమే అధ్యయనం చేసేవారు. దీని కోసం వారు గోనియోమీటర్ అనే పరికరాన్ని ఉపయోగించేవారు. ఈ పరికరం స్పటికం వివిధ వైపుల లేదా ముఖాల మధ్య ఉండే కోణాలను కొలుస్తుంది. ఈ కోణాలను కొలవడం ద్వారా, శాస్త్రవేత్తలు ఆ స్పటికం ఏ విధమైన సౌష్టవాన్ని (symmetry) కలిగి ఉందో తెలుసుకునేవారు.

ఈ ఆకారాలను కాగితం మీద చూపించడానికి, వారు స్టీరియోగ్రాఫిక్ ప్రొజెక్షన్ అనే పద్ధతిని వాడేవారు. ఇందుకోసం వుల్ఫ్ నెట్ లేదా లాంబెర్ట్ నెట్ అని పిలిచే ప్రత్యేక పటాలను ఉపయోగించేవారు. స్పటికం ప్రతి ముఖాన్ని మిల్లర్ సూచికలు (Miller indices) అని పిలిచే సంఖ్యలతో గుర్తించేవారు. ఇది స్పటికాలను వివిధ కుటుంబాలుగా వర్గీకరించడానికి సహాయపడింది.

ఆధునిక స్పటిక శాస్త్రం 1800ల చివరలో ఎక్స్-రేలు మరియు ఎలక్ట్రాన్లు కనుగొన్న తర్వాత మొదలైంది. ఈ ఆవిష్కరణలు శాస్త్రవేత్తలు స్పటికం లోపల ఉన్న అణువులను చూడటానికి వీలు కల్పించాయి. 1912లో, మాక్స్ వాన్ లూ ఎక్స్-రేలను ఉపయోగించి స్పటిక నమూనాలను చూసే మొదటి ప్రయోగాన్ని చేశారు. తర్వాత, 1927లో జార్జ్ పేగెట్ థామ్సన్, డావిసన్ మరియు గెర్మర్ బృందం ఎలక్ట్రాన్లను ఉపయోగించి అదే విధమైన పరిశోధనలు చేశారు.

1900ల చివరలో, కంప్యూటర్లు మరియు మెరుగైన పరికరాల వల్ల ఈ పని చాలా వేగంగా మారింది. నేడు, స్పటిక శాస్త్రం విజ్ఞాన శాస్త్రంలోని అనేక విభాగాలలో ఉపయోగించబడుతోంది. శాస్త్రవేత్తలు సింక్రోట్రోన్ కాంతి వనరులు మరియు ఫ్రీ-ఎలక్ట్రాన్ లేజర్‌ల వంటి పెద్ద యంత్రాలను ఉపయోగించి పదార్థం అత్యంత సూక్ష్మ భాగాలను అధ్యయనం చేస్తున్నారు.

 పద్ధతులు 

స్పటికాన్ని అధ్యయనం చేయడానికి, శాస్త్రవేత్తలు ఒక శక్తి కిరణాన్ని ఆ నమూనాపై ప్రసరింపజేస్తారు. ఆ కిరణం అణువులను తాకినప్పుడు, అది చెదురుతుంది లేదా వంగుతుంది. దీనినే వివర్తనం (diffraction) అంటారు. ఇలా చెదిరిన కిరణం ఏర్పరిచే నమూనాను బట్టి, అణువులు ఎక్కడ ఉన్నాయో శాస్త్రవేత్తలు గుర్తించగలరు.

స్పటిక శాస్త్రంలో ప్రధానంగా మూడు రకాల కిరణాలను ఉపయోగిస్తారు:

 ఎక్స్-రేలు (X-rays) 
ఇది అన్నింటికంటే సాధారణంగా వాడే పద్ధతి. ఎక్స్-రేలు నమూనాలోని ఎలక్ట్రాన్లతో చర్య జరుపుతాయి. అవి ఎలక్ట్రాన్ సమూహం (electron cloud) ఎక్కడ దట్టంగా ఉందో చూపిస్తాయి. దీని ద్వారా అణువుల స్థానాలను మనం తెలుసుకోవచ్చు.

 న్యూట్రాన్లు (Neutrons) 
న్యూట్రాన్లు అనేవి అణువుల కేంద్రంలో ఉండే కణాలు. ఇవి అణు కేంద్రకాల (atomic nuclei) ద్వారా వివర్తనం చెందుతాయి. ఇవి అయస్కాంత క్షేత్రాలకు కూడా స్పందిస్తాయి. హైడ్రోజన్ వంటి మూలకాలను అధ్యయనం చేయడానికి ఇది చాలా ఉపయోగకరంగా ఉంటుంది. కొన్నిసార్లు శాస్త్రవేత్తలు హైడ్రోజన్‌కు బదులుగా డ్యూటీరియంను ఉపయోగిస్తారు, తద్వారా చిత్రం మరింత స్పష్టంగా కనిపిస్తుంది.

 ఎలక్ట్రాన్లు (Electrons) 
ఎలక్ట్రాన్లు ప్రతికూల ఆవేశాన్ని (negative charge) కలిగి ఉంటాయి. ఇవి నమూనాలోని కేంద్రకం మరియు ఎలక్ట్రాన్లతో చర్య జరుపుతాయి. వీటికి ఆవేశం ఉండటం వల్ల, అయస్కాంతాలను ఉపయోగించి వీటిని ఒకచోట కేంద్రీకరించవచ్చు. ఎలక్ట్రాన్ మైక్రోస్కోప్‌లు ఇలాగే పనిచేస్తాయి. ఈ మైక్రోస్కోప్‌లు అణువుల చిత్రాలను నేరుగా తీయగలవు.

 అనువర్తనాలు 

 పదార్థ విజ్ఞాన శాస్త్రం (Materials science) 
పదార్థాలు ఒక నిర్దిష్ట పద్ధతిలో ఎందుకు ప్రవర్తిస్తాయో అర్థం చేసుకోవడానికి మెటీరియల్ సైంటిస్టులు స్పటిక శాస్త్రాన్ని ఉపయోగిస్తారు. చాలా పదార్థాలు అనేక చిన్న స్పటికాలతో తయారవుతాయి. వీటిని పాలీక్రిస్టలైన్ పదార్థాలు (polycrystalline materials) అంటారు. వీటిని అధ్యయనం చేయడానికి శాస్త్రవేత్తలు పౌడర్ డిఫ్రాక్షన్ ఉపయోగిస్తారు.

కొన్ని లోహాలు ఎందుకు బలంగా ఉంటాయి, మరికొన్ని ఎందుకు మెత్తగా ఉంటాయో స్పటిక శాస్త్రం వివరిస్తుంది. ఉదాహరణకు, ఇనుమును వేడి చేసినప్పుడు, దాని అణువులు కొత్త అమరికలోకి మారుతాయి. ఇది "బాడీ-సెంటర్డ్ క్యూబిక్" (bcc) నిర్మాణం నుండి "ఫేస్-సెంటర్డ్ క్యూబిక్" (fcc) నిర్మాణానికి మారుతుంది. ఈ మార్పు వల్ల ఇనుము తక్కువ స్థలాన్ని ఆక్రమిస్తుంది.

స్పటిక నిర్మాణం గురించి తెలుసుకోవడం వల్ల ఇంజనీర్లు మెరుగైన వస్తువులను తయారు చేయగలుగుతారు. వారు ఈ జ్ఞానాన్ని భూగర్భ శాస్త్రం, వంతెనల నిర్మాణం, మరియు కొత్త ఎలక్ట్రానిక్ పరికరాల తయారీలో ఉపయోగిస్తారు.

 జీవశాస్త్రం  
పెద్ద జీవ అణువుల (biological molecules) ఆకారాన్ని చూడటానికి స్పటిక శాస్త్రం ఉత్తమ మార్గం. వీటిలో ప్రోటీన్లు మరియు DNA ఉంటాయి. మైయోగ్లోబిన్ అనే మొదటి ప్రోటీన్ నిర్మాణాన్ని 1958లో ఎక్స్-రేలను ఉపయోగించి కనుగొన్నారు.

నేడు, వేల సంఖ్యలో ఉన్న ఇటువంటి నిర్మాణాలను Protein Data Bank (PDB) అనే డేటాబేస్‌లో భద్రపరుస్తున్నారు. శాస్త్రవేత్తలు ఈ నమూనాలను ఉపయోగించి కొత్త మందులను తయారు చేస్తారు, మానవ శరీరం ఎలా పనిచేస్తుందో అర్థం చేసుకుంటారు.

 సంకేతాలు  

స్పటికంలోని దిశలు మరియు తలాలను వివరించడానికి శాస్త్రవేత్తలు ప్రత్యేక గుర్తులను ఉపయోగిస్తారు:

[100] (చతురస్రపు బ్రాకెట్లు): ఇవి ఒక నిర్దిష్ట దిశను చూపుతాయి.

<100> (కోణపు బ్రాకెట్లు): ఇవి సౌష్టవం వల్ల ఒకేలా కనిపించే దిశల సమూహాన్ని చూపుతాయి.

(100) (సాధారణ బ్రాకెట్లు): ఇవి స్పటికం లోపల ఒక చదునైన ఉపరితలం లేదా "తలాన్ని" (plane) చూపుతాయి.

{100} (కర్లీ బ్రాకెట్లు): ఇవి ఒకే రకమైన తలాల సమూహాన్ని చూపుతాయి.

 ముఖ్యమైన గ్రంథాలు 
ఈ శాస్త్రానికి అత్యంత ముఖ్యమైన పుస్తకాలు International Tables for Crystallography. ఈ సిరీస్‌లో ఎనిమిది పుస్తకాలు ఉన్నాయి. స్పటికాలను ఎలా కొలవాలి, ఎలా వివరించాలి అనే నియమాలను ఇవి వివరిస్తాయి. అవి:

 వాల్యూమ్  విషయం Vol A  స్పేస్ గ్రూప్ సిమెట్రీ (Space Group Symmetry) Vol B  రెసిప్రోకల్ స్పేస్ (Reciprocal Space) Vol C  గణిత మరియు భౌతిక పట్టికలు (Math and Physics Tables) Vol D  భౌతిక ధర్మాలు (Physical Properties) Vol E  సబ్‌పీరియాడిక్ గ్రూపులు (Subperiodic Groups) Vol F  జీవ అణువులు (Biological Molecules) Vol G  డేటా మార్పిడి (Data Exchange)

 ప్రముఖ శాస్త్రవేత్తలు 
స్పటిక శాస్త్రంలో చాలా మంది ప్రసిద్ధ వ్యక్తులు పనిచేశారు. వారిలో కొందరు నోబెల్ బహుమతిని కూడా గెలుచుకున్నారు.

William Henry Bragg, 
William Lawrence Bragg, 
Francis Crick, 
Rosalind Franklin, 
Dorothy Crowfoot Hodgkin, 
Max von Laue, 
Kathleen Lonsdale, 
Max Perutz, 
Dan Shechtman, 
Ada Yonath. 

 స్పటిక వ్యవస్థల సారాంశం 
స్పటికాలు వాటి ఆకారాన్ని బట్టి వేర్వేరు వ్యవస్థలుగా వర్గీకరించబడ్డాయి.

+ సాధారణ స్పటిక వ్యవస్థలు వ్యవస్థ  వివరణ  ఉదాహరణ క్యూబిక్ (Cubic)  అన్ని వైపులా సమానం, అన్ని కోణాలు 90°  ఉప్పు, వజ్రం టెట్రాగోనల్ (Tetragonal)  రెండు వైపులా సమానం, అన్ని కోణాలు 90°  జిర్కాన్ ఆర్థోరోంబిక్ (Orthorhombic)  ఏ వైపు సమానం కాదు, అన్ని కోణాలు 90°  గంధకం, పుష్యరాగం హెక్సాగోనల్ (Hexagonal)  ఆరు వైపుల సౌష్టవం  స్పటిక రాయి, మంచు

 ముగింపు 
స్పటిక శాస్త్రం అనేది కంటికి కనిపించని అణువుల ప్రపంచాన్ని చూడటానికి మనకు సహాయపడే ఒక కీలకమైన విజ్ఞాన శాస్త్రం. ఇది లేకపోతే, మనం DNA నిర్మాణం గురించి తెలుసుకోలేకపోయేవాళ్ళం, లేదా ఆధునిక కంప్యూటర్ చిప్‌లను తయారు చేయలేకపోయేవాళ్ళం. ఇది భౌతిక మరియు రసాయన శాస్త్రాలను మనం రోజువారీ వాడే పదార్థాలతో అనుసంధానిస్తుంది. స్పటికాలలోని క్రమశిక్షణను మరియు అందాన్ని అధ్యయనం చేయడం ద్వారా, మానవులు మెరుగైన ప్రపంచాన్ని ఎలా నిర్మించాలో నేర్చుకున్నారు.

 మూలాలు 

 బయటి లింకులు 

[ Learning Crystallography]

[ American Crystallographic Association]

[ Web Course on Crystallography]

Category:ఖగోళ విజ్ఞానం
Category:భౌతిక శాస్త్రం
Category:రసాయన శాస్త్రం