Krystallografi

Grundbeskrivelse

I Krystallografi beskæftiger man sig med krystallers opbygning. For eksempel er almindeligt bordsalt og diamant et krystal, men også mere komplekse strukturer som proteiner og kemiske bindinger kan bestemmes ved en metode kaldet røntgenspredning (se uddybende beskrivelse). DNA-strukturen er et godt eksempel på en biologisk struktur, der blev opdaget ved hjælp af krystallografi.

Almindeligt forekommende kubiske krystalstrukturer.(Wikimedia Commons).

Krystaller er bygget op af periodiske atomstrukturer (det vil sige at den samme form går igen hele tiden). Det er på grund af disse strukturer, at saltkrystaller (bordsalt, NaCl) altid danner småterninger og ædelsten ser ud som de gør. Man siger, at de er inddelt i krystalplaner. Man kan forestille sig planerne som siderne på en kasse som på billedet hvor hjørnerne er atomer og kanterne er 'forbindelsen' mellem dem.

Sætter man flere af disse kasser sammen, får man en stor tredimensionel struktur, hvor lys kan passere igennem, indtil det rammer et atom og bliver reflekteret. Denne form for struktur kaldes for krystalgitteret.

Uddybende beskrivelse

Bragg-spredning

Forestiller man sig at lyse på et krystalgitter med 2 stråler, der har samme bølgelængde (\(\lambda\)). Hvis d er afstanden mellem krystalplanerne, og \(\theta\) er vinklen på de ind/udgående stråler, så vil stråle 2 skulle \(d\cdot\sin\theta\) længere end stråle 1, før den møder et plan i gitteret og bliver reflekteret.

Bragg-spredning på et krystalgitter. (Wikimedia Commons).

Ved Bragg-spredning benytter man, at der forekommer konstruktiv inteferens (signalet forstærkes) når vinklen er sådan, at \(2d\sin\theta\) svarer til hele bølgelængder (\(n \cdot \lambda\)), da strålerne så er i det, man kalder fase.

Dette er er kendt som Braggs lov: \[2d\sin\theta = n \lambda\]

Laue-spredning

Bragg-spredning kan give detaljeret og nøjagtig information om opbygningen af en krystal. Laue-spredning derimod kan hurtigt give et overblik over mange af egenskaberne ved en krystal på samme tid, men er knap så præcis.

Venstre og midt: Laue-spredning på krystalgitter. Hvidt lys (alle farver) kommer ind og bliver reflekteret i flere retninger afhængig af krystal planernes orientering. Højre: Typisk brydningsmønster fra kubisk struktur. (Wikimedia Commons og Chano Birkelind).

Ved Laue-spredning lyses der igen på krystallen med en hvid stråle, og man ser så på det mønster, der fremkommer på en fotoplade placeret sådan, at strålen går gennem midten af pladen, inden den rammer krystallen. Mønsteret fremkommer ved, at forskellige bølgelængder af lys reflekteres fra forskellige krystalplaner, hvor afstanden passer med bølgelængden på farven.

Pulverspredning

Alle vinkler på krystalplanerne findes i store mængder i et krystalpulver. En metode der derfor ofte bruges i stedet for enkelte krystaller er pulverspredning. Metoden er meget effektiv, hvis man har en ukendt eller blandet prøve af flere krystaltyper, da den er hurtig og giver meget information uden en masse forberedelse.

Et pulver af det krystal, man ønsker at undersøge, placeres i en prøveholder. Prøven belyses så med røntgenstråler, mens den og detektoren drejer. Intensiteten (antal af reflekterede stråler ved bestemte vinkler) måles, og man kan så ved at se på ”toppene” i det spektrum, der fremkommer, bestemme, hvad krystallen består af.

Curiosity-roveren udførte i 2012 den første røntgensprednings-analyse på overflademateriale fra en anden planet netop ved pulverspredning i krystaller fra Mars' overflade.

Chano Birkelind