결정학

Crystallography
결정성 고체: 티탄산 스트론튬의 원자 분해능 이미지.밝은 점은 스트론튬 원자의 기둥이고 어두운 점은 티타늄 산소 기둥입니다.
면중심 입방정체 구조의 8면체 및 사면체 간질부위
단결정 실리콘의 전자 후방 산란 회절 패턴의 기쿠치 선으로, 전계 방출 전자원에 의한 20 kV로 촬영

결정학은 결정성 고체에서 원자의 배치를 결정하는 실험 과학이다.결정학은 재료 과학고체 물리학(응집 물질 물리학) 분야의 기초 과목이다.크리스털로그래피(crystallography)라는 단어는 그리스어crystalon, frozen drop(콜드 드롭, 동결 드롭)이라는 단어에서 유래했으며, 그 의미는 어느 정도 투명도가 있는 모든 고체, 그리고 그래핀(graphein)이 "쓰다"라는 단어에서 유래했다.2012년 7월, 유엔은 2014년을 국제 결정학의 [1]해로 선포함으로써 결정학의 중요성을 인식하였다.

X선 회절 결정학(아래 참조)이 개발되기 전에는 결정의 연구[2]각도계를 사용한 기하학의 물리적 측정에 기초했다.여기에는 서로 상대적인 결정면의 각도 및 이론적인 기준축(암호학 축)에 대한 측정과 문제의 결정의 대칭성 확립이 포함되었습니다.각 결정면의 3D 공간에서의 위치는 울프망 또는 램버트망과 같은 입체망 상에 표시된다. 면에 대한 극은 그물 위에 플롯되어 있습니다.각 점에는 밀러 지수로 레이블이 지정됩니다.최종 플롯은 결정의 대칭성을 확립할 수 있도록 합니다.

결정학적 방법은 현재 어떤 종류의 빔에 의해 표적화된 샘플의 회절 패턴 분석에 의존합니다.X선이 가장 일반적으로 사용됩니다. 다른 빔에는 전자 또는 중성자가 포함됩니다.결정학자들은 종종 X선 결정학, 중성자 회절 및 전자 회절이라는 용어와 같이 사용된 빔의 유형을 명시적으로 언급한다.이 세 가지 유형의 방사선은 표본과 서로 다른 방식으로 상호작용합니다.

  • X선은 샘플 내 전자의 공간 분포와 상호작용합니다.
  • 전자는 하전입자이므로 원자핵과 샘플의 전자 모두의 총 전하 분포와 상호작용합니다.
  • 중성자는 강한 핵력을 통해 원자핵에 의해 산란되지만 중성자의 자기모멘트는 0이 아니다.따라서 그것들은 자기장에 의해 산란되기도 한다.중성자가 수소 함유 물질에서 산란되면 소음 수준이 높은 회절 패턴을 생성한다.그러나 이 물질은 때때로 수소 대신 중수소를 대체하기 위해 처리될 수 있다.

이러한 서로 다른 형태의 상호작용으로 인해 세 가지 유형의 방사선이 서로 다른 결정학 연구에 적합합니다.

이론.

광학 현미경 검사와 같은 기존의 영상 기술에서는 작은 물체의 이미지를 얻으려면 확대 렌즈로 빛을 모아야 합니다.광학계의 분해능은 파장에 따라 달라지는 빛의 회절 한계에 의해 제한된다.따라서 결정 전자 밀도 맵의 전체적인 선명도는 회절 데이터의 분해능에 크게 의존하며, 회절 데이터의 분해능은 다음과 같이 분류할 수 있다.[3]예를 들어 가시광선의 파장은 약 4000~7000옹스트롬으로 일반적인 원자결합원자 자체의 길이(약 1~2Ω)보다 3배 길다.따라서 기존의 광학 현미경으로는 결정 내 원자의 공간 배치를 해결할 수 없다.그렇게 하기 위해서는 X선이나 중성자 빔과 같이 훨씬 짧은 파장의 방사선이 필요합니다.

안타깝게도 기존 광학 렌즈로 X선을 집중시키는 것은 어려울 수 있습니다.과학자들은 금으로 만들어진 극미량의 프레넬 존 플레이트와 긴 [4]테이퍼 형태의 모세혈관 내부의 임계각 반사로 X선을 집중시키는 데 성공했다.회절 X선 또는 중성자 빔은 이미지를 생성하기 위해 초점을 맞출 수 없으므로 샘플 구조는 회절 패턴에서 재구성해야 합니다.

회절 패턴은 샘플의 주기적이고 반복적인 특징에 의해 산란된 입사 방사선(X선, 전자, 중성자)의 건설적인 간섭에서 발생한다.고차적이고 반복적인 원자 구조(브래비스 격자) 때문에 결정체는 일관성 있는 방식으로 X선을 회절하며, 브래그의 반사라고도 합니다.

표기법

  • [100]과 같은 대괄호의 좌표는 방향 벡터(실제 공간)를 나타냅니다.
  • <100>과 같은 각도 괄호 또는 쉐브론 내의 좌표는 대칭 연산에 의해 관련된 방향의 패밀리를 나타냅니다.예를 들어 입방정계에서 <100>은 [100], [010], [001] 또는 이러한 방향의 음수를 의미합니다.
  • (100)같은 괄호 의 밀러 지수는 결정 구조의 평면과 특정 간격의 평면의 규칙적인 반복을 나타낸다.입방정계에서는 (hkl) 평면에 대한 법선은 [hkl] 방향이지만, 저대칭의 경우 (hkl)에 대한 법선은 [hkl]과 평행하지 않다.
  • {100}과(와) 같은 물결 괄호 또는 중괄호로 묶인 색인은 평면의 패밀리와 해당 규범을 나타냅니다.입방체 재료에서는 각도 괄호가 방향군을 나타내듯이 대칭은 이들을 동등하게 만듭니다.비입방체 재료에서 <hkl>은 반드시 {hkl}에 수직인 것은 아닙니다.

기술

단백질과 같이 결정학적으로 분석된 일부 물질은 결정체로서 자연적으로 발생하지 않는다.일반적으로 이러한 분자는 용액에 담겨 증기 확산을 통해 천천히 결정화됩니다.분자, 완충제 및 침전물을 포함한 용액 한 방울을 흡습성 용액을 포함한 리저버로 용기에 봉입한다.물방울 속의 물은 저장소로 확산되어 서서히 농도가 높아지고 결정이 형성됩니다.농도가 더 빨리 상승한다면, 분자는 단순히 용액 밖으로 침전되어 질서정연하고 사용 가능한 결정체가 아닌 무질서한 과립을 만들어 낼 것이다.

일단 결정을 얻으면, 방사선 빔을 이용해 데이터를 수집할 수 있다.결정학 연구에 종사하는 많은 대학들이 자체 X선 생산 장비를 가지고 있지만, 싱크로트론은 종종 X선 소스로 사용된다. 싱크로트론은 그러한 소스가 생성할 수 있는 더 순수하고 완전한 패턴이기 때문이다.싱크로트론 선원은 X선 빔의 강도도 훨씬 높기 때문에 데이터 수집에는 약한 선원에서 일반적으로 필요한 시간의 극히 일부만 소요됩니다.X선이 수소와 같은 가벼운 원소들과만 매우 약하게 상호작용하기 때문에 수소 원자의 위치를 식별하기 위해 보완 중성자 결정학 기술이 사용된다.

회절 패턴으로부터 이미지를 생성하는 것은 정교한 수학과 종종 모델링과 정교함의 반복적인 과정을 필요로 한다.이 과정에서 수학적으로 예측된 가설 또는 "모델" 구조의 회절 패턴을 결정성 시료에 의해 생성된 실제 패턴과 비교한다.이상적으로는 연구자들은 몇 가지 초기 추측을 하고, 이러한 추측은 모두 같은 답변으로 수렴됩니다.모델을 근본적으로 수정하지 않고도 예측 패턴이 가능한 한 크게 일치할 때까지 모델을 다듬습니다.이것은 오늘날 컴퓨터에 의해 훨씬 더 쉬워진 힘든 과정입니다.

회절 데이터의 분석을 위한 수학적 방법은 패턴에만 적용되며, 이는 순차적인 배열에서 파동이 회절될 때만 발생합니다.따라서 결정학은 대부분의 부분만 결정 또는 측정을 위해 결정화되도록 유도할 수 있는 분자에만 적용된다.그럼에도 불구하고, 고체 결정만큼 완벽하지는 않지만 어느 정도의 순서를 나타낼 수 있는 섬유와 분말에 의해 생성된 패턴으로부터 일정량의 분자 정보를 추론할 수 있다.이 순서의 수준은 단순한 분자의 구조를 추론하거나 더 복잡한 분자의 거친 특징을 결정하기에 충분할 수 있습니다.예를 들어, DNA의 이중 나선 구조는 섬유 샘플에 의해 생성된 X선 회절 패턴으로부터 추론되었다.

재료과학

결정학은 재료 과학자들에 의해 다른 재료들을 특징짓기 위해 사용된다.단결정에서 원자의 결정 배열의 효과는 종종 거시적으로 쉽게 볼 수 있는데, 왜냐하면 결정의 자연적인 모양이 원자 구조를 반영하기 때문이다.또한 물리적 특성은 종종 결정 결함에 의해 제어됩니다.결정 구조에 대한 이해는 결정학적 결함을 이해하기 위한 중요한 전제 조건이다.대부분의 물질은 단일 결정으로 발생하는 것이 아니라 다결정 형태(즉, 방향이 다른 작은 결정의 집합체)로 발생합니다.이 때문에 결정수가 많은 다결정 시료의 회절 패턴을 취하는 분말 회절법은 구조 결정에 중요한 역할을 한다.

다른 물리적 특성 또한 결정학과 관련이 있다.예를 들어, 점토 의 광물들은 작고 평평하며 판 모양의 구조를 형성합니다.점토는 판상 입자가 판면에서 서로 미끄러져 나가면서도 판에 수직인 방향으로 강하게 연결되어 있기 때문에 쉽게 변형될 수 있다.이러한 메커니즘은 결정학적 텍스처 측정에 의해 연구될 수 있다.

다른 예로, 은 가열될 때 페라이트라고 불리는 체심 입방정(BCC) 구조에서 오스테나이트라고 불리는 면심 입방정(FCC) 구조로 변합니다.FCC 구조는 BCC 구조와 달리 촘촘한 구조이기 때문에 이러한 변환이 발생하면 철의 부피가 감소합니다.

결정학은 위상 식별에 유용하다.재료의 구성, 구조 및 비율이 재료의 특성에 영향을 미치기 때문에 재료를 제조하거나 사용할 때 일반적으로 재료에 어떤 화합물과 어떤 위상이 존재하는지 아는 것이 바람직하다.각 상은 원자의 특징적인 배치를 가지고 있다.X선 또는 중성자 회절은 물질에 존재하는 패턴과 그에 따라 존재하는 화합물을 식별하기 위해 사용될 수 있다.결정학은 결정에서 원자에 의해 형성될 수 있는 대칭 패턴의 열거를 포함하며 이러한 이유로 군 이론과 관련이 있다.

생물학

X선 결정학은 생물학적 고분자, 특히 DNA와 RNA와 같은 단백질과 핵산의 분자 구조를 결정하는 주요 방법이다.사실 DNA의 이중 나선 구조는 결정학적 데이터에서 추론되었다.고분자의 첫 결정 구조는 1958년 X선 분석을 [5]통해 얻은 미오글로빈 분자의 3차원 모델인 것으로 밝혀졌다.단백질 데이터 뱅크(PDB)는 단백질 및 기타 생물학적 고분자 구조를 위해 자유롭게 접근할 수 있는 저장소입니다.RasMol, Pymol 또는 VMD와 같은 컴퓨터 프로그램을 사용하여 생물학적 분자 구조를 시각화할 수 있습니다.중성자 결정학은 종종 X선 방법에 의해 얻어진 구조를 정교하게 하거나 특정 결합을 해결하기 위해 사용된다. X선은 종종 전자 위치에 민감하고 무거운 원자로부터 가장 강하게 산란하는 반면, 중성자는 핵 위치에 민감하고 많은 가벼운 Iso에서도 강하게 산란하기 때문에 그 방법은 종종 상호 보완적인 것으로 간주된다.수소와 중수소를 포함한 토폴로지전자 결정학은 몇몇 단백질 구조, 특히 단백질과 바이러스 캡시드를 결정하기 위해 사용되어 왔다.

X선 결정학에 대한 여성의 기여

많은 여성들이 X선 결정학의 선구자였고, 당시 그들은 대부분의 다른 물리과학 [6]분야에서 제외되었다.

캐슬린 론스데일은 윌리엄 헨리 브래그의 연구생으로, 로렌스는 의 아들과 함께 20세기 초에 X선 결정학의 과학을 창시했다.브래그는 총 18명의 학생 중 11명의 여성 연구생들을 데리고 있었다.캐슬린은 1923년 런던에 있는 왕립 연구소의 결정학 연구팀에 합류하여 결혼하여 아이를 가진 후 연구원으로서 브래그와 함께 일하게 되었다.그녀는 다이아몬드 연구를 수행한 벤젠 고리의 구조를 확인하였고, 1945년에 왕립 학회에 선출된 최초의 두 여성 중 한 명이었으며, 1949년에는 최초의 여성 종신 화학 교수이자 유니버시티 칼리지 런던의 [7]결정학 학과장으로 임명되었습니다.캐슬린은 항상 여성의 과학 참여 확대를 지지하며 1970년 다음과 같이 말했다. "잠재 과학자와 기술자를 최대한 활용하고 싶은 나라라면 누구나 그렇게 할 수 있을 것이다. 그러나 그것은 남성들을 얻는 것처럼 여성들을 그렇게 단순하게 받아들이기를 기대해서는 안 된다."그렇다면 기혼 여성이 과학 분야로 복귀하기를 진정으로 원하는 나라는 자녀들이 더 이상 그녀의 신체적인 존재가 필요하지 않을 때,[8] 그녀에게 그렇게 하도록 격려하기 위해 특별한 준비를 해야 한다고 제안하는 것은 유토피아적인 것이다."이 기간 동안 캐슬린은 윌리엄 T와 공동 작업을 시작했습니다.1924년에 출판되어 결정학자들에게 필수적인 도구가 된 230개의 우주 그룹 테이블 세트에 대한 애스트베리.

도로시 호지킨의 페니실린 분자 모형, 1945

1932년 도로시 호지킨은 영국 케임브리지에 있는 브래그의 제자였던 물리학자 존 데스몬드 버널의 연구실에 들어갔다.그녀와 버널은 결정성 단백질의 첫 엑스레이 사진을 찍었다.그녀는 1964년 엑스레이 기술을 사용하여 페니실린, 인슐린, 비타민 B12의 구조를 연구한 공로로 노벨 화학상을 수상했다.그녀는 과학 과목에서 노벨상을 수상한 유일한 영국 여성이다.

DNA 사진 (사진 51) 로잘린드 프랭클린, 1952

로잘린드 프랭클린은 1962년 노벨 생리의학상을 수상한 제임스 왓슨과 프랜시스 크릭의 이중나선 발견에 핵심적인 것으로 증명된 DNA 섬유 엑스레이 사진을 찍었다.왓슨은 DNA 구조인 ' 더블 [9]헬릭스'의 발견에 대한 자서전적 설명에서 로잘린드의 엑스레이 사진을 그녀의 허락 없이 사용했다고 밝혔다.프랭클린은 왓슨이 노벨상을 받기 전 30대에 암으로 세상을 떠났다.프랭클린은 또한 석탄과 흑연에 있는 탄소와 식물과 동물 바이러스의 중요한 구조적 연구를 수행했다.

미국 해군 연구소의 이사벨라 은 결정학의 수학적 이론에 대한 실험적인 접근을 개발했다.그녀의 연구는 화학 및 생물의학 분석의 속도와 정확성을 향상시켰다.그러나 그녀의 남편 제롬만이 1985년 "결정 구조를 결정하는 직접적 방법의 개발에서 뛰어난 업적"으로 허버트 홉트먼과 함께 노벨 화학상을 수상했다.다른 상을 수여하는 단체들은 이사벨라에게 자신의 권리로 상을 퍼부었다.

여성들은 엑스레이 결정학 분야에서 많은 교과서와 연구 논문을 써왔다.수년간 Lonsdale은 구조에 대한 수학, 물리 및 화학 데이터뿐만 아니라 결정 격자, 대칭 및 공간 그룹에 대한 정보를 제공하는 국제 결정학 테이블을 편집했습니다.케임브리지 대학의 Olga Kennard는 1965년부터 1997년까지 작은 분자에 대한 구조 데이터의 국제적으로 인정받는 소스인 Cambridge Crystalographic Data Center를 설립하고 운영했습니다.영국의 과학자 제니 픽워스 글러스커크리스탈 구조 분석을 공동 집필했습니다. 1971년에 초판되어 2010년 제3판에 게재된 입문서.[10]호주 태생의 생물학자 Eleanor Dodson은 Dorothy Hodgkin의 기술자로 시작하여 현재 전 세계 단백질 결정학자와 250개 이상의 소프트웨어 도구를 공유하고 있는 공동 컴퓨팅 프로젝트인 CCP4의 주역이었습니다.

참고 문헌

국제 결정학 표(International Tables for[11] Crystalography)는 8권으로 구성된 시리즈로, 크리스탈의 포맷, 기술 및 테스트에 대한 표준 표기법을 개략적으로 설명합니다.이 시리즈는 X선 결정학, 전자 회절, 중성자 회절을 통해 유기 구조를 결정하기 위한 분석 방법과 수학적 절차를 다루는 책들을 포함하고 있다.국제 표는 절차, 기술 및 설명에 초점을 맞추고 있으며 개별 결정 자체의 물리적 특성을 나열하지 않는다.각 책은 약 1000페이지이며 책 제목은 다음과 같습니다.

Vol A - 공간 그룹 대칭,
Vol A1 - 공간 그룹 간의 대칭 관계
Vol B - 상호 공간,
Vol C - 수학, 물리 화학
Vol D - 결정의 물리적 특성
Vol E - 서브주기 그룹,
Vol F - 생물학적 고분자의 결정학
Vol G - 결정 데이터의 정의교환.

저명한 과학자

「 」를 참조해 주세요.

레퍼런스

  1. ^ UN의 「국제 결정학의 해」발표.iycr2014.org. 2012년 7월 12일
  2. ^ "The Evolution of the Goniometer". Nature. 95 (2386): 564–565. 1915-07-01. Bibcode:1915Natur..95..564.. doi:10.1038/095564a0. ISSN 1476-4687.
  3. ^ Wlodawer, Alexander; Minor, Wladek; Dauter, Zbigniew; Jaskolski, Mariusz (January 2008). "Protein crystallography for non-crystallographers, or how to get the best (but not more) from published macromolecular structures". The FEBS Journal. 275 (1): 1–21. doi:10.1111/j.1742-4658.2007.06178.x. ISSN 1742-464X. PMC 4465431. PMID 18034855.
  4. ^ Snigirev, A. (2007). "Two-step hard X-ray focusing combining Fresnel zone plate and single-bounce ellipsoidal capillary". Journal of Synchrotron Radiation. 14 (Pt 4): 326–330. doi:10.1107/S0909049507025174. PMID 17587657.
  5. ^ Kendrew, J. C.; Bodo, G.; Dintzis, H. M.; Parrish, R. G.; Wyckoff, H.; Phillips, D. C. (1958). "A Three-Dimensional Model of the Myoglobin Molecule Obtained by X-Ray Analysis". Nature. 181 (4610): 662–6. Bibcode:1958Natur.181..662K. doi:10.1038/181662a0. PMID 13517261. S2CID 4162786.
  6. ^ Kahr, Bart (2015). "Broader Impacts of Women in Crystallography". Crystal Growth & Design. 15 (10): 4715–4730. doi:10.1021/acs.cgd.5b00457. ISSN 1528-7483.
  7. ^ Ferry, Georgina (2014). "History: Women in crystallography". Nature. 505 (7485): 609–611. Bibcode:2014Natur.505..609F. doi:10.1038/505609a. ISSN 1476-4687. PMID 24482834.
  8. ^ Sanz-Aparicio, Julia (2015). "Vista de El legado de las mujeres a la cristalografía Arbor". Arbor. 191 (772): a216. doi:10.3989/arbor.2015.772n2002. Archived from the original on 2015-09-07.
  9. ^ Watson, James D. (2000), Discovering the double helix, Cold Spring Harbor Laboratory, ISBN 978-0-87969-622-1, OCLC 48554849
  10. ^ Glusker, Jenny Pickworth; Trueblood, Kenneth N; International Union of Crystallography (2020). Crystal structure analysis: a primer. ISBN 978-0-19-191790-5. OCLC 1241842166.
  11. ^ Prince, E. (2006). International Tables for Crystallography Vol. C: Mathematical, Physical and Chemical Tables. Wiley. ISBN 978-1-4020-4969-9. OCLC 166325528. OL 9332669M. Archived from the original on 6 May 2022.

외부 링크