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Das Kristallographie ist ein interdisziplinärDisziplin zwischen den Chemie und der Physik die sich traditionell mit Kristalle, Kristallwachstum, makroskopische Kristallform und andere makroskopische Eigenschaften von Gitterstrukturen.
Mit fortschreitender Technologie hat sich der Fokus der Kristallographie auf die Bestimmung der mikroskopischKristallstruktur, d.h. die Anordnung der Atome innerhalb eines gegebenen kristallinen solide.
Kristallographische Methoden basieren auf der Charakteristik Streuung von Strahlung denen ein Kristall ausgesetzt ist. Normalerweise ist das röntgen, aber manchmal auch die Beugung von Elektronen oder Neutronen sah (Teilchenstrahlung). Die verschiedenen verwendeten mikroskopischen Untersuchungstechniken werden entsprechend bezeichnet Röntgenbeugung, Neutronenbeugung und Elektronenbeugung.
Eigenschaften von Kristallen
Kristalle sind Materialien, deren viele Eigenschaften davon abhängen, in welcher Richtung diese Eigenschaften beobachtet werden, d.h Symmetrie des Kristalls.
Piezoelektrischer Effekt
Ein gutes Beispiel dafür ist piezoelektrischer Effekt. Wenn ein Kristall komprimiert wird, entsteht in vielen Fällen eine elektrische Spannung zwischen den beiden Seiten, die komprimiert werden. Allerdings zeigen nicht alle Kristalle diesen Effekt. Für Kristalle mit einer Symmetrie, die a . enthält Symmetriezentrum enthält diesen Effekt.
Optische Eigenschaften
Auch die optischen Eigenschaften hängen eng mit Richtung und Symmetrie zusammen. Beispielsweise kann der Brechungsindex in verschiedene Richtungen unterschiedlich sein, wenn die Symmetrie niedrig genug ist. Eine Folge davon ist Doppelbrechung. Das Kristalloptik beschäftigt sich mit diesen Phänomenen.
Elektrische Eigenschaften
Das Wachstum großer und perfekter Einkristalle von insbesondere halbleitend Materialien wie Silizium ist der Grundstein der modernen Elektronik.
Geschichte
Kristalle können zwar alle möglichen Formen haben und es ist sogar möglich, ihnen durch Schneiden, Schleifen und Polieren Sonderformen (sogar eine Kugelform) zu geben, aber oft treten sie bevorzugt in einer bestimmten kantigen Kristallform auf und sind leichter zu bearbeiten entlang bestimmter Oberflächen spalten und dann entlang anderer. Dieses Phänomen ist seit langem bekannt und bildet beispielsweise die Grundlage für die Verarbeitung von Diamanten zu charakteristischen Formen mit bestimmten Facetten.
Frühe Beobachtungen
Niels Stensen stellte bereits 1669 fest, dass Quarzkristalle von Ebenen begrenzt werden, die immer die gleichen Winkel zueinander bilden. Er bemerkte, dass nur eine begrenzte Anzahl von Winkeln immer wieder zurückkam.
Rasmus Bartholin beschrieben im selben Jahr die Doppelbrechung von Calcit. Dies machte deutlich, dass die Eigenschaften von Kristallen in verschiedene Richtungen unterschiedlich sein können. Leider war die Lichttheorie noch ungeschrieben und die Erklärung des Phänomens musste bis Anfang des 19. Jahrhunderts warten.
Christian Huygens schlugen später vor, dass dieses Verhalten und die Tatsache, dass Kristalle dazu neigen, sich in bestimmten Ebenen zu spalten, durch die Annahme erklärt werden könnten, dass sie aus Schichten kugelförmiger Partikel bestehen, aber seine Idee fand wenig Resonanz, insbesondere in Ermangelung von Techniken, um die Idee zu testen. Auch seine Vorstellungen über den Wellencharakter des Lichts müssten noch lange auf eine weitere Ausarbeitung warten.
Kristallebenen
Der französische Mineraloge René Just Hauy (1743-1822) gilt als der wahre Begründer der Kristallographie. Er untersuchte auch die Spaltung von Material. Er hat aus Versehen ein Stück Mineral hinterlassen, Calcit, und stellte fest, dass viele der Fragmente, selbst die kleinsten, die gleiche Form hatten (1784). Daraus schloss er, dass ein Kristall immer eine regelmäßige Anhäufung des gleichen Fragments sein muss, eine Art elementarer Baustein. Er nannte diese Einheiten Moleküle integriert, aber heutzutage spricht man in der Kristallographie über die Grundlage oder den Inhalt der Einheitszelle. Er beschrieb diese Zelle als einen kleinen Würfel oder einen anderen weniger symmetrischen parallelepiped.
Haüy bemerkte auch, dass die Ebenen, die das Äußere eines Kristalls bilden, die Habitus, kann beschrieben werden, indem man betrachtet, wie sie die Seiten der imaginären Elementarzelle schneiden. Er postulierte, dass dies immer eine kleine ganze Zahl von Teilen ist.
Symmetrie
Danke an den britischen Mineralogen William Hallowes Miller (1810-1880) wurden diese kleinen ganzen Zahlen später, im Jahr 1838, als Miller-Indizes {hkl} bekannt. Miller hielt sich an die Lehren des Rasterrichtungen beschäftigt. Mit diesen Indizes konnten die Außenflächen eindeutig charakterisiert werden. Die Rückkehrwinkel wurden einer Kombination von zwei Kristallebenen zugeordnet.
Der britische Chemiker William Hyde Wollaston gefunden im Jahre 1809 Reflexionsgoniometer von. Mit diesem Instrument war es möglich, die Winkel zwischen den Ebenen durch Reflexion eines Lichtstrahls an einer Kristallebene genau zu bestimmen. Mit diesem Instrument wurde schnell klar, dass Stensens Schlussfolgerungen nicht auf Quarz beschränkt waren, sondern auf alle Minerale angewendet wurden. Nun könnte man diese Art von Messungen verwenden, um ein Mineral von einem anderen zu unterscheiden. Auf diese Weise wurde ein Klassifizierungssystem basierend auf der Symmetrie der Kristallform entwickelt. Es war seit einiger Zeit bekannt, dass sich die äußere Kristallform eines Materials durchaus ändern kann. So ist es beispielsweise durchaus möglich, dass das gleiche Mineral je nach Wachstumsbedingungen mal würfelförmig und dann wieder als Oktaeder kristallisiert, aber diese Formen verraten die gleiche zugrundeliegende Symmetrie. Es war hauptsächlich Auguste Bravais (1811-1863) dass die Symmetrie von dreidimensionale Gitter entwickelt und gezeigt, dass nur 14 verschiedene Gittertypen existieren. Zu seiner Zeit wuchs auch der Glaube, dass Kristalle aus Atomen und Molekülen bestehen sollten. Sie haben sogar eine Vorstellung von ihrer Größe. Obwohl Kristalle seit langem mikroskopisch untersucht werden, war es nicht möglich, die innere Atomstruktur zu untersuchen, weil die Wellenlänge des verwendeten Lichts viel zu groß war.
Dennoch seien große Fortschritte bei der Kartierung beispielsweise der Beziehung zwischen Symmetrie und optischen Eigenschaften gemacht worden. Durch die Ausarbeitung der Wellentheorie des Lichts von Thomas Jung im 1801 war auch der Doppelbrechung verständlich werden. Es stellte sich heraus, dass das Phänomen nur auftrat, wenn die Punktsymmetrie des Kristalls mindestens zwei verschiedene Hauptachsen aufwies. Dies ist bei hexagonalen, trigonalen und tetragonalen Kristallen der Fall, nicht bei kubischen. Bei noch geringerer Symmetrie (monoklin und triklin) ist das Verhalten noch komplizierter als bei Doppelbrechung.
Das Aufkommen der Beugung
Vor der Entwicklung der Beugung untersuchten die Menschen hauptsächlich die äußeren Formen, die Habitus, die einen Kristall aufnehmen kann. Mit Hilfe von a Goniometer es ist möglich, die Winkel zwischen allen Seiten des Kristalls zu messen und abzubilden. Der Pol jeder Fläche wird auf a . projiziert stereografisch gerade. Jeder Punkt ist mit seinem Müller-Index. Der Zweck eines solchen Graphen besteht letztendlich darin, die Symmetrie des Kristalls zu bestimmen. Dies war lange Zeit ein wichtiges Unterscheidungsmerkmal von Mineralien.
Mit der Entdeckung der Röntgenstrahlung im Jahr 1895 kam ein großer Durchbruch. Es wurde vermutet, dass diese Strahlung eine Lichtart ist, deren Wellenlänge nahe an den Abständen zwischen Atomen liegt. Walter Friedrich (1883-1962) und Paul Knipping (1883-1935) entschieden sich 1912 für einen Vorschlag von Max von Laue (1879-1960) und fanden tatsächlich Beugungseffekte, wenn ein Kristall dieser neuen Strahlungsform ausgesetzt wurde. Damit fingen sie zwei wichtige Fliegen mit einer Klappe. Kristalle waren in der Tat regelmäßige Atomstapel, und Röntgenstrahlen waren tatsächlich eine Form von Licht (elektromagnetische Strahlung) mit einer Wellenlänge in der Größenordnung von Atomen.
Die deutschen Forscher verwendeten jedoch eine „weiße“ Wellenlängenmischung, was die Möglichkeiten ihrer Ergebnisse einschränkte. Fast gleichzeitig Vater und Sohn William Henry und William Lawrence Bragg jedoch ein Experiment mit (fast) monochromatischer Strahlung, das es ermöglichte, Kristallstrukturen auf atomarer Ebene zu studieren. Die mathematische Grundlage für diese Entwicklung war bereits vorhanden. Die Beugung (bei längeren Wellenlängen) war lange bekannt und auch ihre mathematische Beschreibung, die Fourier-Transformation, existierte bereits. Auch die Symmetrietheorie wurde weitgehend entwickelt. Damit war der Grundstein für die Klärung der Struktur gelegt. Die Erfindung des Computers sorgte dafür, dass immer komplexere Strukturen analysiert werden konnten. Programmierung und Beugung gingen Hand in Hand. Kristallograph und Programmierer wurden quasi zu Synonymen.
Spätere Entwicklungen
Mit dem Aufkommen der Strukturbestimmung durch Beugung wurde jedoch nicht die gesamte Struktur bestimmt. Kristalle sind nie perfekt. Es gibt immer Fehler im Stapel, und die Beugung zeigt die durchschnittliche Struktur des regulären Stapels, nicht die Fehler darin. Für einige Eigenschaften sind diese Mängel jedoch sehr wichtig. Manchmal sogar wichtiger als die durchschnittliche Struktur. Dies gilt sicherlich für die elektronischen Eigenschaften von Halbleitern. Die Untersuchung von Defekten und Versetzungen ist somit zu einem eigenen Beruf geworden.
Spätere Entwicklungen, wie die der hochauflösenden Elektronenmikroskopie, haben viel zum Studium der feinen Details von Atomstapeln beigetragen. Das gleiche gilt für die Untersuchung von Materialoberflächen mit Techniken wie AFM und STM. Diese Techniken erreichen auch eine atomare Auflösung und zeigen die charakteristische Regelmäßigkeit beim Stapeln eines Kristalls. Diese Art der Forschung wird jedoch selten mit Kristallographie in Verbindung gebracht.
Im Allgemeinen hat sich die Kristallographie als Standardtechnik zur atomaren und molekularen Strukturbestimmung zu einer eigenen Wissenschaft entwickelt. Die Geräte zur Röntgen- und Elektronenbeugung sind kommerziell erhältlich und in vielen Labors von Universitäten und Unternehmen vorhanden. Um die Messungen dieser Geräte zu analysieren, sind Kenntnisse der Kristallographie erforderlich. Die Anwendung der Kristallographie ist sehr breit gefächert und wird deshalb von Physikern, Chemikern, Materialwissenschaftlern und Proteinbiologen genutzt. Darüber hinaus ist die Proteinkristallographie ein wissenschaftlich aktives Gebiet, in dem methodisch noch Verbesserungspotenzial besteht, das oft auf eine bessere Datenverarbeitung abzielt.