Kristallografi

De tre benen

Symmetri

Röntgenstrålning

Datorn

Förr

Nu

Framtiden

Kristallografi läran om kristallerna, ett ämne med nära anknytning

till kemi, biologi, mineralogi och fysik.

Ämnesområdet innefattar studiet av fasta, kristallina

kroppar, lagarna för deras tillväxt och yttre form samt

deras inre struktur, dvs. atomära uppbyggnad.

elektroner

tomt

1 eV

Kristallografi

Göran Svensson

Disputerade vid LTH 1989

Chalmers 930101 – 101231

Naturvetenskapliga år 2005 - 2014

FN (UNESCO) och IUCR

2005 Fysik

2006 Öknar och polarutbredning

2007 Polarområdena

2008 Geologi (planeten jorden)

2009 Astronomi

2010 Biologisk mångfald

2011 Kemi

2012 Hållbar energi

2013 Vatten

2014 Kristallografi

2015 Ljus

www.iycr.org

www.kristall2014.se

Carolina Rediva (Uppsala universitetsbibliotek)

(Slut 4/5 2014)

6/4 Kristallklart på Nobelmuseum i Stockholm 23/4 Ytterby gruva

Två montrar om

kristallografi

De 7 kristallsystemen,

hexagonala och trigonala

Artikelserie i Kemivärlden under

2014

Lång artikel om kristallografi i

Litofilen nr 1 2014

Utställning på bibliotek i höst?

Platonska kropparna

5 stycken

Pytagoras (570-495 f.kr.)

Euklides Elementa (ca 300 f.kr.)

Tetraeder Kub Oktaeder Ikosaeder Dodekaeder

Tetrahedrit

Diamant

Vem var den första kristallografen?

Johannes Kepler

1571-1630

Publicerad 1611

Supersaturation

=

Övermättnad

Symmetri

1 2 3 4 5 6 7 ….

Rotation

Spegelplan

Apelsin Citron

Losec : S- och R-omeprazol

Nexium: S-omeprazol

Rotation: 1 2 3 4 6 Rotoinversion: 64321 m

Minsta ”lådan” i en kristall, enhetscellen

1 2 3 st 2

3 6 4

4 st 3

symmetri

7 kristallsystem

Kyanit(triklin) Natron (monoklin) Baryt (ortorombisk)

Rutil (tetragonal) Kvarts (trigonal) Beryll (hexagonal) (Berylliumaluminiumsilikat)

Halit (kubisk)

7 Kristallsystem

14 Bravaisgitter

32 Punktgrupper

11 Lauegrupper

230 Rymdgrupper

Neumans princip:

“The symmetry elements of any physical property of

a crystal must include the symmetry elements of the

point group of the crystal”

3-D

Nicolaus Steno (1638-1686)

Den moderna geologins fader

Stratigrafi och fossil

Bibeln och Noaks ark (biskop)

Lagen om konstanta vinklar

~λ

Upplösning Ljusmikroskop : ~ 40 µm

C – H : 0.95 Å (0.000095µm)

C – C : 1.54 Å

Na – Cl : 2.36 Å

Ba – Ba : 4.35 Å

1895 Röntgenstrålning

1896 Radioaktivitet

1897 Elektronen

1932 Neutronen

1917 Protonen

1905 Relativitetsteorin

Nutid!

Röntgenstrålning i kemins tjänst

DR. WILHELM KONRAD RÖNTGEN

(1845-1923)

Upptäckte röntgenstrålningen 1895

(fredagen den 8 november) och för

det fick han det första Nobelpriset i

fysik 1901

Datortomografi

Röntgenbild

Röntgenstrålning när seklet var ungt

Radioaktiv hudkräm

Thorium och radium

För bra passning av skor

Tre intensitetslägen:

Hög (män), medel (kvinnor) och låg (barn)

Max von Laue, Nobelpris 1914 (fysik)

Kristaller sprider röntgenstrålning

William Bragg

(1862-1942) Lawrence Bragg

(1890-1971)

Nobelpriset i fysik 1915 (fysik)

Analys av kristallstrukturer med

röntgenstrålning

Braggs lag

Weissenbergkamera

h k l är en reflex

h 0 -> 10

k 0 -> 10

l 0 ->10

10x10x10 = 1000

reflexer

X,Y,Z = koordinater i

enhetscellen

Fasproblemet

Herbert Hauptman och Jerome Karle, 1987

”för deras avgörande insatser vid utveckling av

direkta metoder för kristallstrukturbestämning”

Isabella Karle

Från kristall till struktur

DNA

James Watson och Francis

Crick (Maurice Wilkins)

Nobelpriset i medicin 1962

Rosalind Franklin

(1920-1958)

Filmtime

Kristallväxning Kristall

Kristallstruktur Egenskaper

Koksalt

Perovskit

Minsta ”lådan” i en kristall, enhetscellen

1 2 3 st 2

3 6 4

4 st 3

symmetri

7 kristallsystem

Jan Olov Bovin, Lund 1986

Dan Shechtman, Nobelpris i kemi 2011

För upptäckten av kvasikristaller

Ho,Mg, Zn-kristall

(legering)

Tre olika typer av strålning

• Röntgenstrålning (sprids av elektroner) – röntgenrör (billigt), finns flera på Chalmers

– synkrotron (mycket dyrt) MAX II i Lund

– Max IV i Lund (3 miljarder)

• Neutronstrålning (sprids av kärnan) – mycket dyrt

• Studsvik avvecklades 2005

• ESS i Lund 2020 (20 miljarder)

• ISIS utanför Oxford

• Elektronstrålning – ger en direkt bild, upplösning ~ 1 Å

– påverkar ofta provet (MeV)

Guld

Ada Yonath, 2009 (kemi) Strukturen och funktionen hos ribosomen med Venkatraman Ramakrishnan och Thomas Steitz

Enzymet för proteinsyntes

Roger Kornberg, 2006 (kemi)

Kartläggningen av hur DNA läses av

RNA polymeras II (hur DNA läses av)

Roderick McKinnon 2003 (kemi) Jonkanaler som låter K+ (kalium) passera men inte den

mindre jonen Na+ (natrium)

Cellmembranet

John Walker, 1997 (kemi) ”klargörande av den enzymatiska mekanismen för syntes av

adenosintrifosfat (ADP)”

Johann Deisenhofer, Hartmut Michel och

Robert Huber, 1988 (kemi) För bestämningen av den tredimensionella strukturen hos ett fotosyntetiskt

reaktionscenter

Hartmund Michael

Johann Robert

Aaron Klug, 1982 (kemi) ”för hans utveckling av kristallografisk elektron-

mikroskopi och hans klarläggande av strukturen

hos biologiskt viktiga nukleinsyra-proteinkomplex”

Dorothy Crowfoot Hodgkin, 1964 (kemi)

Insulin

Penicillin

Vitamin B12

Vitamin B12

Max Perutz, 1962 (kemi) Bestämde strukturen för hemoglobin

Med frun Gisela på bal

John Kendraw, 1962 (kemi) Strukturen hos myoglobin

Maurice Wilkins, John Steinbeck, John Kendraw, Max Perutz, Francis Crick, James Watson (December 1962)

Kommer kristallografer att behövas i framtiden?

Framtiden

Tidsupplöst

Mätningar på ”verkliga” system, in situ

Nogrannare

Mindre kristaller

Rutinundersökning som IR, NMR och UV/VIS

Kombination neutron – röntgen (Lund)

Elektronmikroskopi

Databaser

Teoretiska beräkningar

Simuleringar

Sydsvenska D

agbla

det

2014-0

3-2

7

< 1 miljon kr

Ser ni det här har jag

dragit över tiden

talat väldigt fort

glömt hälften

tekniken har krånglat

>20 Nobelpris har delats ut där kristallografi varit en mycket

viktig del

Öfver hela min återstående realiserbara förmögenhet förfares på följande sätt:

Kapitalet av utredningsmännen realiseradt till säkra värdepapper skall utgöra en

fond, hvars ränta årligen utdelas som prisbelöning åt dem som under det

förlupna året hafva gjort menskligheten den största nytta. Räntan delas i fem lika

delar som tillfalla: en del till den som inom fysikens område har gjort den

vigtigaste upptäckt eller uppfinning; en del den som har gjort den vigtigaste

kemiska upptäckt eller förbättring; en del den som har gjort den vigtigaste

upptäckt inom fysiologiens eller medicinens domän; en del som inom litteraturen

har produceradt det utmärktaste i idealisk rigtning; och en del åt den som har

verkat mest eller best för folkens förbrödrande och avskaffande eller minskning

av stående arméer samt bildande och spridande av fredskongresser.

Kristallstruktur från enkristalldata

Krav

Enkristall (fjärrordning)

Strålning med en våglängd jämförbar med atom-atomavstånd

Enkristalldiffraktometer (för datainsamling)

Viss fingerfärdighet

Datorkraft, kemisk intuition och kunskap, analysförmåga,

nogrannhet, envishet mm

Växa en

kristall

Kristallstruktur från enkristalldata

Kristallen skall bada i en

röntgenstråle som är cirka

0,25 mm i diametar

Lämplig kristallstorlek

< 0,20 mm

.

Växa en

kristall

Struktur

Kristallstruktur från enkristalldata

Kvarts, SiO2,

Trigonalt kristallsystem, rymdgrupp P322

Enhetscellen: a = 4.9128 Å, c = 5.4042 Å

Cellens volym: 112.96 Å3

Antal formelenheter i cellen: Z = 3

x/a y/b z/c

Si1 +4 3a 0.4687(2) 0.00000 0.00000 OBS

O1 -2 6c 0.4121(4) 0.2656(4) 0.1186(2) Fraktionella koordinater

Si – O 1.598 Å

Si – O 1.621 Å

Si – Si 3.058 Å

Si – O – Si 143.5o

Växa en

kristall

Struktur

Kristallstruktur från enkristalldata

Montera

Montera kristallen på en

tunn glaspinne och sedan

på ett goniometerhuvud

Detta görs under mikroskåp

Växa en

kristall

Struktur

Kristallstruktur från enkristalldata

Montera

Datainsamling

Datainsamlingen sker

sedan med en

diffraktometer.

Bestäm enhetscellen.

Kolla kristallkvaliten.

Därefter samlas data

in.

Röntgenrör

Detektor Kristall

Växa en

kristall

Struktur

Kristallstruktur från enkristalldata

Montera

Datainsamling

Korrigera data

Korrigera för

Absorption

Polarisation

Geometriska faktorer

Lista på reflexer (1000-tal)

h k l Intensitet sigma

1 0 0 34.0 1.4

2 3 -6 123.4 10.2

4 6 8 0.3 1.4

Växa en

kristall

Struktur

Kristallstruktur från enkristalldata

Montera

Datainsamling

Korrigera data

Lös strukturen

Intensiteter Struktur

Struktur Intensiteter (går bra)

Lösning

Försök att gissa/beräkna en trolig struktur (modell) eller

delar av den. Kemisk intuition, kunskap, datorkraft mm

mm

Beräkna intensiteterna från modellen och jämför med de

uppmätta

Förbättra modellen

Förfina strukturen tills R-värdet blir lågt, <5%

FASPROBLEMET

mätdata

modelldatamätdataR

Växa en

kristall

Struktur

Kristallstruktur från enkristalldata

Montera

Datainsamling

Korrigera data

Lös strukturen

ANALYSERA Jämför med andra strukturer

Struktur - egenskapsamband

Det finns två sorters

kvarts

Högerkvarts

Vänsterkvarts

Strukturen kan

beskrivas som

helixar av SiO4-

tetraedrar som vrider

sig åt höger eller

vänster