Kết tinh tinh thể X là một kỹ thuật được sử dụng để xác định cấu trúc nguyên tử và phân tử của tinh thể, trong đó các nguyên tử tinh thể gây ra một chùm tia X tới để phân tán thành nhiều hướng cụ thể. Bằng cách đo góc và cường độ của các chùm nhiễu xạ, một nhà tinh thể học có thể tạo ra một bức tranh ba chiều về mật độ các điện tử trong tinh thể. Từ mật độ electron này, các vị trí trung bình của các nguyên tử trong tinh thể có thể được xác định, cũng như các liên kết hóa học, rối loạn của chúng và các thông tin khác.
Vì nhiều nguyên liệu có thể tạo thành các tinh thể như muối, kim loại, khoáng chất, chất bán dẫn, cũng như các phân tử vô cơ, hữu cơ và sinh học khác nhau – tinh thể học tia X là nền tảng của sự phát triển của nhiều lĩnh vực khoa học. Trong những thập kỷ đầu tiên sử dụng, phương pháp này xác định kích thước của các nguyên tử, độ dài và loại liên kết hóa học, và sự khác biệt về nguyên tử giữa các vật liệu khác nhau, đặc biệt là khoáng chất và các hợp kim. Phương pháp này cũng cho thấy cấu trúc và chức năng của nhiều phân tử sinh học, bao gồm vitamin, thuốc, protein và các axit nucleic như DNA. Kết tinh học tia X vẫn là phương pháp chính để mô tả cấu trúc nguyên tử của các vật liệu mới và các vật liệu thông minh xuất hiện tương tự như các thí nghiệm khác. Các cấu trúc tinh thể tia X cũng có thể giải thích cho các tính chất điện tử và đàn hồi bất thường của vật liệu, làm sáng tỏ các tương tác hóa học và các quá trình hóa học, hoặc làm cơ sở cho việc thiết kế các dược phẩm chống lại bệnh tật.
Trong một phép đo nhiễu xạ tia X đơn tinh thể, một tinh thể được gắn trên một que thử. Máy tạo khẩu tuyến được sử dụng để định vị tinh thể theo các hướng đã chọn. Tinh thể được chiếu sáng với chùm tia X đơn sắc tập trung, tạo ra một mô hình nhiễu xạ các đốm phân bố đều đặn gọi là phản xạ. Các hình ảnh hai chiều lấy theo các hướng khác nhau được chuyển thành mô hình ba chiều về mật độ electron trong tinh thể sử dụng phương pháp toán học của các phép biến đổi Fourier, kết hợp với dữ liệu hóa học được biết đến cho mẫu. Độ phân giải kém (fuzziness) hoặc thậm chí lỗi có thể xảy ra nếu các tinh thể quá nhỏ, hoặc không trang điểm trong trang điểm.
Kết tinh học tia X có liên quan đến một số phương pháp khác để xác định cấu trúc nguyên tử. Các mô hình nhiễu xạ tương tự có thể được tạo ra bằng cách tán xạ các điện tử hoặc neutron, được giải thích bằng biến đổi Fourier. Nếu không thể thu được các tinh thể đơn có kích thước đủ thì có thể áp dụng nhiều phương pháp tia X khác để thu được thông tin ít hơn; các phương pháp này bao gồm nhiễu xạ sợi, nhiễu xạ bột và (nếu mẫu không được kết tinh) tán xạ tia X góc nhỏ (SAXS). Nếu vật liệu được điều tra chỉ có ở dạng bột nano hoặc có độ kết tinh kém, thì các phương pháp của tinh thể điện tử có thể được áp dụng để xác định cấu trúc nguyên tử.
Đối với tất cả các phương pháp nhiễu xạ tia X nói trên, sự phân tán là co dãn; các tia X rải rác có cùng bước sóng như tia X đến. Ngược lại, các phương pháp tán xạ tia X không thuận lợi rất hữu ích trong việc nghiên cứu kích thích mẫu, hơn là phân bố các nguyên tử của nó
Lịch sử
Lịch sử khoa học sớm của tinh thể và tia X
Vẽ hình vuông (hình A, ở trên) và hình lục giác (Hình B, dưới đây) đóng gói từ tác phẩm của Kepler, Strena seu de Nive Sexangula.
Tinh thể, dù được ngưỡng mộ vì tính chính xác và cân đối của chúng, nhưng không được nghiên cứu khoa học cho đến thế kỷ 17. Johannes Kepler đã đưa ra giả thuyết trong tác phẩm của ông Strena seu de Nive Sexangula (Một món quà năm mới của tuyết Tuyết) (1611) rằng sự đối xứng lục giác của tinh thể tuyết rơi là do việc đóng gói thường xuyên các hạt nước hình cầu
Nhà khoa học Đan Mạch Nicolas Steno (1669) đi tiên phong trong các cuộc điều tra thí nghiệm đối xứng tinh thể. Steno đã chỉ ra rằng các góc giữa các khuôn mặt đều giống nhau trong mỗi mẫu của một loại tinh thể đặc biệt, và René Just Haüy (1784) phát hiện ra rằng mỗi mặt của một tinh thể có thể được mô tả bằng các mẫu đơn giản của các khối cùng hình dạng và kích thước. Do đó, William Hallowes Miller năm 1839 đã có thể cho mỗi khuôn mặt một nhãn duy nhất của ba số nguyên nhỏ, chỉ số Miller vẫn được sử dụng ngày nay để xác định khuôn mặt tinh thể. Nghiên cứu của Haüy đã đưa ra ý tưởng đúng rằng các tinh thể là một mảng ba chiều thông thường (một mạng lưới Bravais) của các nguyên tử và phân tử; một đơn vị tế bào được lặp lại vô thời hạn theo ba hướng chính mà không nhất thiết phải vuông góc. Vào thế kỷ 19, một danh mục đầy đủ các sự đối xứng có thể xảy ra của một viên pha lê được Johan Hessel, Auguste Bravais, Evgraf Fedorov, Arthur Schönflies và William Barlow (1894 ). Từ dữ liệu sẵn có và lý luận vật lý, Barlow đã đề xuất một số cấu trúc tinh thể vào những năm 1880 đã được xác nhận sau đó bằng phương pháp tinh thể học tia X; tuy nhiên, những dữ liệu sẵn có quá khan hiếm trong thập niên 1880 để chấp nhận các mô hình của ông như là kết luận cuối cùng.
Kết tinh tinh thể tia X cho thấy sự sắp xếp của các phân tử nước trong băng, cho thấy liên kết hydro (1) giữ solid với nhau. Rất ít phương pháp khác có thể xác định cấu trúc vật chất với độ chính xác như vậy (độ phân giải).
Wilhelm Röntgen phát hiện ra tia X vào năm 1895, giống như những nghiên cứu đối xứng tinh thể đã được kết luận. Các nhà vật lí ban đầu không chắc chắn về bản chất của tia X, nhưng sớm nghi ngờ (chính xác) rằng chúng là những đợt phóng xạ điện từ, hay nói cách khác, một dạng ánh sáng khác. Vào thời điểm đó, mô hình sóng của ánh sáng đặc biệt, lý thuyết Maxwell về bức xạ điện từ – đã được các nhà khoa học chấp nhận và các thí nghiệm của Charles Glover Barkla cho thấy rằng tia X thể hiện các hiện tượng liên quan đến sóng điện từ, bao gồm phân cực ngang và các đường quang phổ tương tự với những người quan sát được trong các bước sóng nhìn thấy được. Các thí nghiệm đơn lẻ trong phòng thí nghiệm của Arnold Sommerfeld gợi ý rằng các tia X có bước sóng khoảng 1 angstrom. Tuy nhiên, tia X bao gồm các photon, và do đó không chỉ là các sóng bức xạ điện từ mà còn biểu hiện các đặc tính giống như hạt. Albert Einstein đã giới thiệu khái niệm photon vào năm 1905, nhưng nó đã không được chấp nhận rộng rãi cho đến năm 1922 [9] [10] khi Arthur Compton khẳng định nó bằng sự tán xạ tia X từ các điện tử [11]. Do đó, các đặc tính giống như hạt giống của tia X, chẳng hạn như sự ion hóa khí, khiến William Henry Bragg tranh luận năm 1907 rằng tia X không phải là bức xạ điện từ [12] [13] [14] [15] Tuy nhiên, quan điểm của Bragg đã không được chấp nhận rộng rãi và sự quan sát sự nhiễu xạ tia X bởi Max von Laue vào năm 1912 [16] đã khẳng định cho hầu hết các nhà khoa học rằng tia X là một dạng của bức xạ điện từ.