Crystallography
Kiteiden tutkimus on atomien järjestäytymisen tutkimista kiinteissä aineissa.
Ennen röntgenkristallografian kehittymistä kiteiden tutkimus perustui niiden geometriaan. Tämä tarkoittaa kiteen pintojen kulmien mittaamista ja kyseisen kiteen symmetrian määrittämistä.
Röntgendiffraktio
Kiderakenne selvitetään nyt analysoimalla jonkinlaisen säteen kohteena olevan näytteen diffraktiokuvioita.
Tekniikan keksivät yhdessä Sir William Bragg (1862-1942) ja hänen poikansa Sir Lawrence Bragg (1890-1971), jotka saivat yhdessä Nobelin fysiikan palkinnon vuonna 1915. Lawrence Bragg oli nuorin Nobel-palkittu. Hän oli Cambridgen yliopiston Cavendish-laboratorion johtaja, kun James D. Watson ja Francis Crick tekivät DNA:n rakenteen löydön helmikuussa 1953.
Yleisimmin käytetään röntgensäteilyä, mutta joihinkin tarkoituksiin käytetään elektroneja tai neutroneja. Koska vuorovaikutuksen muodot ovat erilaiset, nämä kolme säteilytyyppiä soveltuvat erilaisiin kiteisiin tutkimuksiin.
Tekniikka
Jotkin kiteiden avulla tutkitut materiaalit, esimerkiksi proteiinit, eivät esiinny luonnossa kiteinä. Tällaiset molekyylit asetetaan liuokseen ja niiden annetaan kiteytyä päivien, viikkojen tai kuukausien ajan.
Kun kide on saatu, tietoja voidaan kerätä säteilysäteen avulla. Vaikka röntgenlaitteet ovatkin arkipäivää, kiteytyksessä käytetään usein erityisiä synkrotronivalonlähteitä röntgensäteiden tuottamiseen. Ne tuottavat puhtaampia ja täydellisempiä kuvioita. Synkrotronilähteiden röntgensäteiden intensiteetti on myös paljon suurempi, joten tietojen kerääminen kestää murto-osan siitä ajasta, joka tavallisesti tarvitaan heikommilla lähteillä.
Kuvan tuottaminen diffraktiokuviosta vaatii monimutkaista matematiikkaa.
Diffraktiodatan matemaattisia analyysimenetelmiä sovelletaan vain kuvioihin, jotka puolestaan syntyvät vain, kun aallot diffraktioivat järjestyksessä olevista ruuduista. Näin ollen kiteiden tutkimus soveltuu suurimmaksi osaksi vain kiteisiin tai molekyyleihin, jotka voidaan saada kiteytymään.
Tästä huolimatta kuitujen ja jauheiden tuottamista kuvioista voidaan päätellä tietty määrä molekyylitietoa. Esimerkiksi DNA:n kaksoiskelikaalinen rakenne päätellään kuitunäytteestä saadusta röntgendiffraktiokuviosta.
Elektronidiffraktio
Elektronikristallografia on menetelmä, jolla määritetään atomien järjestys kiinteissä aineissa käyttämällä siirtoelektronimikroskooppia (TEM). Menetelmän keksi Aaron Klug, joka sai Nobelin kemianpalkinnon tästä sekä virusten rakenteita ja siirtorNA:ta koskevista tutkimuksistaan vuonna 1982.
Ensimmäinen elektronikristallografinen proteiinirakenne, joka saavutti atomierottelutarkkuuden, oli bakteriorhodopsiini vuonna 1990.
Diffraktiopisteiden intensiteettien selviä eroja voidaan käyttää kiderakenteen määrityksessä.
Esimerkkejä
Materiaalitekniikan kiteytys
Kiteytyminen on työkalu, jota käytetään usein materiaalitieteessä. Kiderakenteiden ymmärtämistä tarvitaan kiteiden virheiden ymmärtämiseksi.
Monet muut fysikaaliset ominaisuudet liittyvät kiteisiin. Esimerkiksi saven mineraalit muodostavat pieniä, litteitä, levymäisiä rakenteita. Savi on helposti muodonmuutoskelpoinen, koska levymäiset hiukkaset voivat liukua toisiaan pitkin levyjen tasossa, mutta pysyvät kuitenkin vahvasti yhteydessä toisiinsa levyjä vastaan kohtisuorassa suunnassa. Tällaisia mekanismeja voidaan tutkia kiderakenteen mittauksilla.
Kristallografia käsittää symmetriakuviot, joita atomit voivat muodostaa kiteessä.
Biologia
Röntgenkristallografia oli ensisijainen menetelmä biologisten makromolekyylien kolmiulotteisen molekyylirakenteen määrittämiseksi. Tärkeimpiä näistä ovat entsyymit ja nukleiinihapot, kuten DNA ja RNA. Itse asiassa DNA:n kaksoiskierteinen rakenne selvitettiin kiteytystietojen perusteella.
Ensimmäinen makromolekyylin kiderakenne ratkaistiin vuonna 1958 Proteiinidatapankki (PDB) on proteiinien ja muiden biologisten makromolekyylien rakenteiden vapaasti käytettävissä oleva tietovarasto. Tietokoneohjelmia voidaan käyttää apuna biologisten molekyylirakenteiden visualisoinnissa.
Röntgenkristallografia on nykyään korvannut elektronikristallografian sellaisten makromolekyylien osalta, jotka eivät muodosta suuria kolmiulotteisia kiteitä.
Esimerkki kuutioristikosta
Kysymyksiä ja vastauksia
K: Mitä on kiteytys?
V: Kiteiden tutkimus on atomien järjestäytymisen tutkimista kiinteissä aineissa, useimmiten kolmiulotteisesti.
K: Mihin kiteiden tutkimus perustui ennen röntgenkristallografian kehittymistä?
V: Ennen röntgenkristallografian kehittämistä kiteiden tutkimus perustui niiden geometriaan.
K: Mitä kiteiden geometrian tutkimiseen kuuluu?
V: Kiteen geometrian tutkimiseen kuuluu kiteen pintojen kulmien mittaaminen ja kyseisen kiteen symmetrian määrittäminen.
K: Mikä on röntgenkristallografian merkitys kiteiden tutkimuksessa?
V: Röntgenkristallografia on auttanut paljastamaan kiteiden atomirakenteen, mikä on lisännyt huomattavasti ymmärrystämme materiaaleista.
K: Miten röntgenkristallografia toimii?
V: Röntgenkristallografia toimii siten, että kide altistetaan röntgensäteille ja mitataan röntgensäteiden ja kiteen atomien välisistä vuorovaikutuksista syntyvä diffraktiokuvio.
K: Mitä tietoa voidaan saada röntgenkristallografian avulla?
V: Röntgenkristallografian avulla voidaan määrittää molekyylien kolmiulotteinen rakenne, atomien sijainti kiteessä ja niiden väliset sidokset.
K: Miksi kiderakenteen tutkiminen on tärkeää?
V: Kiderakenteen tutkimus on tärkeää, koska se vaikuttaa moniin tieteenaloihin, kuten kemiaan, materiaalitutkimukseen, biologiaan ja lääketieteeseen. Siitä on ollut hyötyä myös uusien materiaalien ja lääkkeiden kehittämisessä.
