Kristalografia

Kristalografia kristalen ikerketaz jarduten duen geologiaren barne zientzia da. Hain zuzen ere, kristalografia solido kristalinoetan atomoen antolaketa zehazteko zientzia esperimentala da.

Solido kristalino bat: estronzio titanatoaren bereizmen atomikoaren irudia. Leku distiratsuak estrontzio atomoen zutabeak dira eta ilunenak titanio-oxigeno zutabeak.

Kristalografia teknika garrantzitsua da hainbat diziplina zientifikotan, hala nola kimikan, fisikan eta biologian, eta aplikazio ugari ditu medikuntzan, mineralogian eta material berrien garapenean. <<Gaixotasunak eta ingurumen-arazoak bezalako erronkei aurre egiteko>> duen eginkizunagatik, UNESCOk 2014a Kristalografiaren Nazioarteko Urtea izendatu zuen.^[1]

Kristalografia hitza antzinako grezierazko κρύσταλλος (krústallos; "izotz garbia, haitz-kristal") hitzetik eratorria da, bere esanahia solido guztietara hedatzen baita nolabaiteko gardentasunarekin, eta γράφειν (gráphein; "idatzi").

Jatorriz, kristalografiaren azterketak kristal hauen hazkundea eta kanpo geometria aztertzen zituen, ondoren barne egiturara eta konposizio kimikoaren azterketara pasatuz.^[2]

Barne egituraren azterketa ereduen analisian oinarritzen da, lagin kristalino batetik X izpi, neutroi edo elektroi izpi batekin irradiatzen denean. Kristalaren egitura mikroskopia elektronikoaren bidez ere azter daiteke. Bere helburuetako bat hauek osatzen dituzten hiru dimentsioko egitura ezagutzea da, hala nola, atomo, ioi eta molekulen posizio erlatiboa, eta haien errepikapen edo partekatze ereduak.

Kristalografian erabiltzen diren metodoak ezberdinak dira. Alde batetik ikerketa optikoan ikusten diren sistema kristalinoen egitura aztertzen da. Beste alde batetik mikroskopioa erabiltzen da argiarekin zerikusia duten elementuak ikertzeko. X izpien erabilera eta berak sortzen dituen difrakzio patroiak aztertzea da azkenean atomoen disposizioa ikertzeko metodorik zehatzena.

Kristalografoek sarritan esplizituki adierazten dute erabiltzen den izpi mota, X izpien kristalografia, neutroien difrakzioa eta elektroien difrakzioa. Ondorengo hiru erradiazio motek laginarekin era ezberdinetan elkar eragiten dute:

X izpiek laginarekin elektroien banaketa espazialarekin elkar eragiten dute.

Neutroiak nukleo atomikoek indar nuklear indartsuen bidez barreiatzen dituzte. Neutroien momentu magnetikoa nulua ez denez, eremu magnetikoek ere sakabanatzen dituzte.

Elektroiak kargatutako partikulak dira eta, beraz, nukleo atomikoen nahiz laginaren elektroien karga osoaren banaketarekin elkar eragiten dute.

Zaila da X izpiak edo neutroiak enfokatzea, baina elektroiak kargatuta daudenez enfokatu egin daitezke eta mikroskopio elektronikoan erabiltzen dira handitutako irudiak sortzeko.

Kristalografiaren helburuetako bat kristal bakoitzak duen simetria talde eta sistema kristalinoa zehaztea da.

Baldintza onetan, elementu edo konposatu kimiko bakoitzak forma definitu eta bereizgarri batean kristalizatzeko joera du. Hori horrela, gatz arruntak kristal kubikoak eratzeko joera du; eta granatea, batzuetan kuboak ere eratzen dituena, dodekaedro edo triakisoktaedroetan aurkitzen da maizago. Kristalizazio era desberdinak izan arren, gatza eta granatea beti klase eta sistema berean kristaltzen dira.

Teorikoki hogeita hamabi kristal-klase dira posible. Sei sistema kristalinotan biltzen dira, beren ardatzen luzera eta posizioaren arabera. Sistema bakoitzeko mineralek simetria eta forma kristalinoaren ezaugarri batzuk partekatzen dituzte, baita propietate optiko garrantzitsu asko ere.

Kristalografiaren teoria

Material kristalinoa atomoak bere osagaien hiru dimentsioko errepikapenean oinarritutako sareetan egituratzen dituena da. Egitura errepikakorrari zelula unitate deitzen zaio eta errepikatzen den zatirik txikiena da. Unitate-gelaxka honek balio desberdinak ditu, horien artean, ertzen edo sare-konstanteen luzera eta ertzen arteko angeluak. ^[3]

Kristal-sareak ezaugarritzen dituzten beste parametro batzuk koordinazio indizea (i), hau da, atomo-kopurua atomo jakin batetik distantzia berdinean dagoenean, eta itxurazko faktorea (FPA) dira, zelula unitate bateko atomoek okupatzen duten bolumenaren eta zelularen bolumen totalaren arteko erlazioak definitzen duena.

Kristalak zelula unitatearen simetria-propietateen arabera sailkatzen dira. Simetria-propietate hauek kristalen simetria makroskopikoetan ere agertzen dira batzuetan, hala nola forma geometrikoak edo haustura-planoak.

Kristalografiaren azterketak simetria taldearen ezagutza jakin bat eskatzen du. Edozein sistema optikoren bereizmena argiaren difrakzio-mugak mugatzen du, bere uhin-luzeraren araberakoa dena. Hori dela eta, neurri handi batean, ondoriozko elektroi-dentsitate kristalografikoen mapen argitasun orokorra difrakzio-datuen bereizmenaren araberakoa da, eta hauek honela sailkatu daitezke: baxua, ertaina, altua eta atomikoa.^[4]

Simetria-elementuak

Sistema kristalino kubiko sinple baten sare-eredua.

Kristal baten oinarrizko zelulek ondorengo simetria-elementuak aurkezten dituzte. Sare kristalino guztiek simetria-elementuak aurkezten dituzte.

Simetria-ardatza: kristala zeharkatzen duen irudizko lerro bat da, eta horren inguruan, bira osoa egiten duenean, alderdi bera bi aldiz edo gehiago errepikatzen du.
Simetria-planoa: zelula barruan kristala ispilu-simetriko bi erditan banatzen duen irudizko planoa da. m letraz adierazten da.
Simetria-zentroa: gelaxka barruko puntua da, eta gainazal batekin elkartzean, antzeko puntu bat errepikatzen du zentroaren beste aldean distantzia berera.

Ohitura kristalinoak

Ohitura kristalinoak kristalaren kanpoko itxurari erreferentzia egiten dio. Ohitura mota desberdinak mineralaren egituraren eta eratzen diren kanpoko baldintzen araberakoak dira.

Ohitura kristalinoa: kristal batek bere aurpegien garapen ezberdinaren ondorioz aurkezten duen itxura da.
Ohitura azikularra: aurpegi bertikalen garapen handia duten kristalak.
Hosto-ohitura: aurpegi horizontalen garapen handia dela eta hosto itxura duten kristalak.

Forma kristalografikoak

Beren simetriaren arabera erlazionatzen diren aurpegi berdinen multzoa da.

Aldi bakarrekoa
Bi aurpegikoa:
- Pirakoidea: plano edo ardatz bitar baten bidez erlazionatuta berdinak eta paraleloak direnean
- Kupula: plano baten bidez erlazionatzen diren lerro ez-paraleloak
- Esfenoidea: ardatz bitar baten bidez erlazionatuta ez dagoena
Prismak, piramideak, bipiramideak, trapezoedroak, eskalenoedroak
Kristal klaseak

Kristaletan simetria-elementuen multzokatze posibleak hogeita hamabi baino ez dira, eta, aldi berean, zazpi sistema kristalino deritzonetan biltzen dira (kubikoa, tetragonala, hexagonala, trigonala edo erronboedrikoa, ortorronbikoa, monoklinikoa eta triklinikoa).

Metodoak

Metodo kristalografikoak X izpi, neutroi edo elektroi izpi batekin irradiatzean lagin kristalino batetik sortzen diren difrakzio-ereduen analisian oinarritzen dira. Egitura kristalinoa mikroskopia elektronikoaren bidez ere azter daiteke.

Aplikazioak

Materialen zientzia

Materialen zientzialariek material desberdinak karakterizatzeko erabiltzen dute kristalografia. Kristal bakarrean, atomoen antolamendu kristalinoaren ondorioak makroskopikoki erraz ikusten dira askotan, kristalen forma naturalek egitura atomikoa islatzen dutelako. Gainera, propietate fisikoak akats kristalinoek kontrolatzen dituzte sarritan. Kristal-egiturak ulertzea ezinbesteko baldintza da akats kristalografikoak ulertzeko. Material gehienak ez dira kristal bakar gisa sortzen, baina izaera polikristalinoa dute (orientazio ezberdineko kristal txikien agregazio gisa daude). Horrenbestez, hauts-difrakzio-teknikek, kristal-kopuru handia duten laginen difrakzio-ereduak hartzen dituztenek, zeregin garrantzitsua dute egitura-determinazioan.

Beste propietate fisiko batzuk ere kristalografiari lotuta daude. Adibidez, buztinean dauden mineralek egitura txiki, lauak eta plaka itxurakoak osatzen dituzte. Buztina erraz deformatu daiteke, plaka itxurako partikulak elkarren artean irrist egin daitezkeelako plaken planoan, hala ere plaken perpendikularra den norabidean oso lotuta geratzen dira. Horrelako mekanismoak ehundura kristalografikoen neurketen bidez azter daitezke.

Beste adibide batean, burdina berotzen denean, ferrita izeneko gorputz-zentratutako egitura kubiko bat (bcc) izatetik austenita izeneko aurpegi-zentratutako egitura kubiko batera (fcc) pasatzen da.^[5] Fcc egitura estua da, eta horrela, burdinaren bolumena txikiagotzen da transformazio hori gertatzen denean.

Kristalografia baliagarria da faseen identifikazioan. Material bat fabrikatzean edo erabiltzean, oro har, beharrezkoa da jakitea zer konposatu dituen eta zein fasetan dauden, haien osaera, egitura eta proportzioak materialaren propietateetan eragina izango baitute. Fase bakoitzak atomoen antolamendu berezi bat du.

Biologia

X izpien kristalografia makromolekula biologikoen konformazio molekularrak zehazteko metodo nagusia da, batez ere proteina eta azido nukleikoak, hala nola DNA eta RNA.

DNAren helize bikoitzeko egitura datu kristalografikoetatik ondorioztatu zen. Makromolekula baten lehen kristal-egitura 1958an ebatzi zen, X izpien analisiaren bidez lortutako mioglobina molekularen hiru dimentsioko eredua.^[6] Proteinen Datuen Bankua (PDB) proteinen eta beste makromolekula biologikoen egituren biltegi bat da. RasMol, Pymol edo VMD bezalako programa informatikoak erabil daitezke egitura molekular biologikoak ikusteko. Neutroien kristalografia X izpien metodoen bidez lortutako egiturak fintzen laguntzeko edo lotura zehatz bat ebazteko erabiltzen da maiz; metodoak osagarri gisa ikusten dira sarritan, X izpiak elektroien posizioekiko sentikorrak baitira eta atomo astunetatik gehien barreiatzen baitira, neutroiak, berriz, nukleoaren posizioekiko sentikorrak dira eta isotopo argi askorengandik ere barreiatzen dira, hidrogenoa eta deuterioa barne. Elektroi-kristalografia erabili da proteina-egitura batzuk zehazteko, batez ere mintz-proteinak eta kapside birikoak.

Erreferentziak

↑ (Gaztelaniaz) Presentación en la UNESCO del Año Internacional de la Cristalografía. unesco.
↑ (Gaztelaniaz) López-Acevedo Cornejo, Victoria. (1993). Modelos en Cristalografía. ISBN 8460476626..
↑ (Gaztelaniaz) Cristalografía. Junta de Andalucia.
↑ (Ingelesez) Wlodawer, Alexander; Minor, Wladek; Dauter, Zbigniew; Jaskolski, Mariusz. (2008-1). «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. PMID 18034855. PMC 4465431. (Noiz kontsultatua: 2024-03-05).
↑ (Ingelesez) «Materials Science and Engineering: An Introduction, 10th Edition | Wiley» Wiley.com (Noiz kontsultatua: 2024-03-05).
↑ (Ingelesez) Kendrew, J. C.; Bodo, G.; Dintzis, H. M.; Parrish, R. G.; Wyckoff, H.; Phillips, D. C.. (1958-03-08). «A Three-Dimensional Model of the Myoglobin Molecule Obtained by X-Ray Analysis» Nature 181 (4610): 662–666. doi:10.1038/181662a0. ISSN 0028-0836. (Noiz kontsultatua: 2024-03-05).

Ikus, gainera

Kanpo estekak

Wikimedia Commons-ean aurkitzen da kristalografia gaiarekin erlazionatutako multimedia.
Wikiztegia-k kristalografiari buruzko definizioak eta informazioa biltzen ditu.
Wikibertsitatea-k kristalografiari buruzko ikaskuntza proiektuak biltzen ditu.

Datuak: Q160398
Multimedia: Crystallography / Q160398

[1] (Gaztelaniaz) Presentación en la UNESCO del Año Internacional de la Cristalografía. unesco.

[2] (Gaztelaniaz) López-Acevedo Cornejo, Victoria. (1993). Modelos en Cristalografía. ISBN 8460476626..

[3] (Gaztelaniaz) Cristalografía. Junta de Andalucia.

[4] (Ingelesez) Wlodawer, Alexander; Minor, Wladek; Dauter, Zbigniew; Jaskolski, Mariusz. (2008-1). «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. PMID 18034855. PMC 4465431. (Noiz kontsultatua: 2024-03-05).

[5] (Ingelesez) «Materials Science and Engineering: An Introduction, 10th Edition | Wiley» Wiley.com (Noiz kontsultatua: 2024-03-05).

[6] (Ingelesez) Kendrew, J. C.; Bodo, G.; Dintzis, H. M.; Parrish, R. G.; Wyckoff, H.; Phillips, D. C.. (1958-03-08). «A Three-Dimensional Model of the Myoglobin Molecule Obtained by X-Ray Analysis» Nature 181 (4610): 662–666. doi:10.1038/181662a0. ISSN 0028-0836. (Noiz kontsultatua: 2024-03-05).

[1]

[2]

[3]

[4]

[5]

[6]