Met kristallografie wordt meestal bedoeld het vakgebied dat is gericht op het bepalen van een kristalstructuur: de positie van de atomen in de vaste stof. Meer traditioneel is kristallografie alle wetenschappelijke studie aan kristallen, inclusief kristalgroei, macroscopische kristalvorm en andere macroscopische eigenschappen.

Kristallografische methoden (volgens de eerste definitie) zijn gebaseerd op diffractie van verschillende typen straling. Meestal is dat röntgenstraling, maar soms wordt ook diffractie van elektronen of neutronen gebruikt. Vaak wordt expliciet naar de straling verwezen in de naam van de techniek; zo spreekt men over röntgendiffractie, neutronendiffractie en elektronendiffractie. De term kristallografie zelf verwijst meestal naar de röntgendiffractie.

De kristallografische technieken worden gebruikt als een soort microscoop om een vergroot beeld van de atomaire structuur van een kristal te zien te krijgen. Het is echter (nog) niet mogelijk om lenzen te maken voor röntgenstraling zoals dat in een lichtmicroscoop voor licht gebeurt. In plaats daarvan wordt diffractie gebruikt om een beeld te vormen. Er wordt dan geen rechtstreekse vergroting verkregen, maar een diffractie-patroon, en er komt ingewikkelde wiskunde aan te pas en het passen en verfijnen van atoommodellen voordat de driedimensionale structuur duidelijk wordt.

De diffractietechnieken kunnen alleen werken als de moleculen in het monster allemaal regelmatig gerangschikt zijn. Dit is het geval in een kristal. Veel eenvoudige chemische verbindingen en ook eiwitten kunnen in kristalvorm worden verkregen, maar dit vereist in moeilijke gevallen wel dat er veel (honderden of soms wel duizenden) pogingen moeten worden ondernomen voordat kristallen van voldoende kwaliteit worden verkregen. Als van een stof écht geen kristallen kunnen worden verkregen kan er geen kristallografie worden bedreven en blijft (in 2003) alleen de multidimensionale NMR over als techniek om de structuur op atomair niveau te bestuderen.

De grootte van kristallen nodig voor de kristallografie neemt door toenemende techniek nog steeds af. In 2003 is het routinematig mogelijk om kristallen van 100 micrometer groot (ongeveer 1 microgram) te gebruiken voor een analyse. Ook is het mogelijk, als een enkel gescheiden kristal niet kan worden verkregen, informatie uit een kristallijn poeder of een vezel te verkrijgen met technieken die poederdiffractie en vezeldiffractie worden genoemd. De kwaliteit van zulke structuren is echter over het algemeen minder dan die verkregen met éénkristaldiffractie.

Table of contents

1 Materiaalkunde 2 Biologie 3 Organische chemie 4 Mineralogie 5 Edelstenen

Materiaalkunde

Kristallografie is een veel gebruikte techniek in de materiaalkunde. In éénkristallen is het vaak makkelijk te zien wat het effect van de kristallijne structuur is, omdat het kristal op macroscopische schaal de atomaire structuur weerspiegelt. Bovendien hangen fysische eigenschappen vaak af van roosterdefecten. De studie van een kristalstructuur is een belangrijke voorwaarde voor het begrip van deze defecten. Met behulp van poederdiffractietechnieken kunnen verder spanningen in materialen direct worden gemeten.

Een voorbeeld van een eigenschap die met de kristalstructuur verband houdt is de structuur van klei: veel van de mineralen in klei vormen kristallen die dun en plaatvormig zijn. Het feit dat deze plaatjes makkelijk langs elkaar kunnen schuiven komen kan de macroscopische gedragingen van klei verklaren.

Een ander voorbeeld is ijzer, dat bij kamertemperatuur een lichaamsgecenterde kubische cel heeft, maar bij verhitting overgaat in een dichter gestapelde vlakkengecenterde kubische cel. De kennis van deze fase-overgang verklaart waarom het volume bij die temperatuur plots afneemt.

Ook de eigenschappen van supergeleidende materialen kunnen met behulp van kristallografie worden bestudeerd.

In materialen met meerdere verschillende vaste fasen kan de kristallografie worden gebruikt om de verschillende fasen te herkennen. Omdat in elke fase de cel verschilt, of ten minste de rangschikking van de atomen, verandert het diffractiepatroon bij een faseovergang. Elke fase kan zo worden herkend. Ook fasen die alleen onder hele hoge drukken voorkomen kunnen worden bestudeerd door ze in speciale monsterhouders (diamantdrukcellen) op te sluiten.

Biologie

Röntgenkristallografie is de belangrijkste methode om de moleculaire structuur van eiwitten en andere biopolymeren te bepalen. Zo was bijvoorbeeld de dubbele-helix structuur van DNA afgeleid uit een diffractie experiment. Diffractiepatronen van biologisch belangrijke moleculen zijn zeer complex, en er zijn andere rekentechnieken nodig om de structuur van deze grote moleculen op te lossen. Ook wordt vaak gebruik gemaakt van synchrotrons als bron voor de röntgenstraling, omdat ze door een veel grotere intensiteit dan andere bronnen kunnen worden gebruikt voor veel kleinere en zwakker verstrooiende kristallen.

De structuur van eiwitten wordt in de farmacie gebruikt om het mechanisme van eiwitten te kunnen begrijpen, en om in te kunnen grijpen in de werking als dat nodig is om een ziekte te kunnen bestrijden.

Organische chemie

In de organische en organometaal-scheikunde wordt kristallografie gebruikt als ultieme analytische techniek: men kan hiermee precies aantonen of er is gemaakt wat men wilde maken.

Mineralogie

In de mineralogie en geologie wordt kristallografie veelvuldig gebruikt om mineralen te herkennen.

Edelstenen