結晶學(xué)是研究晶體的發(fā)生、生長(cháng)、外部形態(tài)、內部結構及物理性質(zhì)的科學(xué)。在早期，結晶學(xué)的主要研究對象是自然界中生長(cháng)的礦物晶體。長(cháng)久以來(lái)，結晶學(xué)便是礦物學(xué)的一部分。礦物學(xué)家為了研究礦物的需要才研究結晶學(xué)，而結晶學(xué)也在研究礦物時(shí)得到了發(fā)展。

中文名

結晶學(xué)

外文名

crystallography

研究

礦物晶體的生成和變化的科學(xué)

又稱(chēng)

晶體學(xué)

研究?jì)热?/span>

包括外部形態(tài)的幾何性質(zhì)

基本介紹

這門(mén)科學(xué)進(jìn)一步形成晶體生成學(xué)、幾何結晶學(xué)、晶體結構學(xué)、晶體化學(xué)、晶體物理學(xué)及數學(xué)結晶學(xué)等分支。結晶學(xué)闡明晶體各個(gè)方面的性質(zhì)和規律，可用來(lái)指導對晶體的利用和人工培養。

研究晶體的外部形貌、化學(xué)組成、內部結構、物理性質(zhì)、生成和變化，以及它們相互間關(guān)系的一門(mén)科學(xué)。

早期只是作為礦物學(xué)的一個(gè)分支，其研究對象亦局限于天然的礦物晶體。19世紀，研究范圍逐步擴大到礦物以外的各種晶體，結晶學(xué)才逐漸脫離礦物學(xué)而成為一門(mén)獨立的學(xué)科。

主要分支

現代結晶學(xué)主要包括以下幾分支：

（1）晶體生成學(xué)（crystallogeny）：研究天然及人工晶體的發(fā)生、成長(cháng)和變化的過(guò)程與機理，以及控制和影響它們的因素。

（2）幾何結晶學(xué)（gometrical crystallography）：研究晶體外表幾何面體的形狀及其間的規律性。

（3）晶體結構學(xué)（crystallology）：研究晶體內部結構中質(zhì)點(diǎn)排而的規律性，以及晶體結構的不完善性。

（4）晶體化學(xué)（crystallochemistry, 亦稱(chēng)結晶化學(xué)）：研究晶體的化學(xué)組成與晶體結構以及晶體的物理、化學(xué)性質(zhì)間關(guān)系的規律性。

（5）晶體物理學(xué)（crystallophysics）：研究晶體的各項物理性質(zhì)及其產(chǎn)生的機理。

研究

在X射線(xiàn)衍射晶體學(xué)提出之前，人們對晶體的研究主要集中于晶體的點(diǎn)陣幾何上，包括測量各晶面相對于理論參考坐標系（晶體坐標軸）的夾角，以及建立晶體點(diǎn)陣的對稱(chēng)關(guān)系等等。夾角的測量用測角儀完成。每個(gè)晶面在三維空間中的位置用它們在一個(gè)立體球面坐標“網(wǎng)”上的投影點(diǎn)（一般稱(chēng)為投影“極”）表示。坐標網(wǎng)的又根據不同取法分為Wolff網(wǎng)和Lambert網(wǎng)。將一個(gè)晶體的各個(gè)晶面對應的極點(diǎn)在坐標網(wǎng)上畫(huà)出，并標出晶面相應的密勒指數（Miller Indices），最終便可確定晶體的對稱(chēng)性關(guān)系。

現代晶體學(xué)研究主要通過(guò)分析晶體對各種電磁波束或粒子束的衍射圖像來(lái)進(jìn)行。輻射源除了最常用的X射線(xiàn)外，還包括電子束和中子束（根據德布羅意理論，這些基本粒子都具有

波動(dòng)性

，可以表現出和光波類(lèi)似的性質(zhì)）。晶體學(xué)家直接用輻射源的名字命名各種標定方法，如

X射線(xiàn)衍射

（常用英文縮寫(xiě)XRD），

中子衍射

和 電子衍射。

以上三種輻射源與晶體學(xué)試樣的作用方式有很大區別：X射線(xiàn)主要被原子（或離子）的最外層價(jià)電子所散射；電子由于帶負電，會(huì )與包括原子核和核外電子在內的整個(gè)空間電荷分布場(chǎng)發(fā)生相互作用；中子不帶電且質(zhì)量較大，主要在與原子核發(fā)生碰撞時(shí)（碰撞的概率非常低）受到來(lái)自原子核的作用力；與此同時(shí)，由于中子自身的自旋磁矩不為零，它還會(huì )與原子（或離子）磁場(chǎng)相互作用。這三種不同的作用方式適應晶體學(xué)中不同方面的研究。

基本理論

普通顯微成像的原理是利用光學(xué)透鏡組匯聚來(lái)自待觀(guān)測的物體的可見(jiàn)光，進(jìn)行多次成像放大。然而，可見(jiàn)光的波長(cháng)通常要遠大于固體中化學(xué)鍵的鍵長(cháng)和原子尺度，難以與之發(fā)生物理光學(xué)作用，因此晶體學(xué)觀(guān)測學(xué)要選擇波長(cháng)更短的輻射源，如X射線(xiàn)。但一旦使用短波長(cháng)輻射源，就意味著(zhù)傳統的“顯微放大”和“實(shí)像拍攝”方法將不能（或難以）應用到晶體學(xué)研究中，因為自然界沒(méi)有材料能制造出可以匯聚短波長(cháng)射線(xiàn)的透鏡。所以要研究固體中原子或離子（在晶體學(xué)中抽象成點(diǎn)陣）的排列方式，需要使用間接的方法——利用晶格點(diǎn)陣排列的空間周期性。

晶體具有高度的有序性和周期性，是分析固體微觀(guān)結構的理想材料。以X射線(xiàn)衍射為例，被某個(gè)固體原子（或離子）的外層電子散射的X射線(xiàn)光子太少，構成的輻射強度不足以被儀器檢測到。但由晶體中滿(mǎn)足一定條件（布拉格定律，Bragg's law）的多個(gè)晶面上的原子（或離子）散射的X射線(xiàn)由于可以發(fā)生相長(cháng)干涉，將可能構成足夠的強度，能被照相底片或感光儀器所記錄。

各種表示方法

主條目：密勒指數

晶體中的

晶向

用

方括號

括起的三個(gè)最小互質(zhì)坐標值來(lái)標出，譬如：

[100]

；

在對稱(chēng)操作中等價(jià)的一組晶向稱(chēng)為 晶向族，用

尖括號

括起的三個(gè)最小互質(zhì)坐標值來(lái)標出，譬如 < 100 > 。在正方晶系中，上述晶向族中包含的晶向有六個(gè)晶向；

晶面的密勒指數用

圓括號

括起，如

(100)

。在正方晶系中，(hkl) 晶面垂直于 [hkl] 晶向；

與晶向族的定義類(lèi)似，在對稱(chēng)操作中等價(jià)的一組晶面稱(chēng)為 晶面族，用 花括號括起，如

{100}

。

實(shí)驗技術(shù)

晶體學(xué)研究的某些材料，如蛋白質(zhì)，在自然狀態(tài)下并非晶體。培養蛋白質(zhì)或類(lèi)似物質(zhì)晶體的典型過(guò)程，是將這些物質(zhì)的水溶液靜置數天、數周甚至數月，讓它通過(guò)蒸發(fā)、擴散而結晶。通常將一滴溶有待結晶物質(zhì)分子、緩沖劑和沉淀劑的水溶液置于一個(gè)放有吸濕劑的密封容器內，隨著(zhù)水溶液中的水慢慢蒸發(fā)，被吸濕劑吸收，水溶液濃度緩慢增加，溶質(zhì)就可能形成較大的結晶。如果溶液的濃度增加速度過(guò)快，析出的溶質(zhì)則為大量取向隨機的微小顆粒，難以進(jìn)行研究。

晶體獲得后，便可以通過(guò)衍射方法對其進(jìn)行研究。盡管當今許多大學(xué)和科研單位均使用各種小型X射線(xiàn)源進(jìn)行晶體學(xué)研究，但理想的X射線(xiàn)源卻是通常體積龐大的同步加速器（同步輻射光源）。同步輻射X射線(xiàn)波譜寬、強度和準直度極高，應用于晶體學(xué)研究可大大提高精確度和研究效率。

從晶體的衍射花樣推測晶體結構的過(guò)程稱(chēng)為

衍射花樣的標定

，涉及較繁瑣的數學(xué)計算，常常要根據和衍射結果的比較對模型進(jìn)行反復的修改（該過(guò)程一般稱(chēng)為modeling and refinement）。在這個(gè)過(guò)程中，晶體學(xué)家要計算出可能晶格結構的衍射花樣，并與實(shí)際得到的花樣進(jìn)行對比，綜合考慮各種因素后進(jìn)行多次篩選和修正，最終選定一組（通常不止一種）與實(shí)驗結果最大程度吻合的猜測作為推測的結果。這是一個(gè)異常繁瑣的過(guò)程，但如今由于電腦的廣泛應用，標定工作已經(jīng)大大簡(jiǎn)化了。

除上述針對晶體的衍射分析方法外，纖維和粉末也可以進(jìn)行衍射分析。這類(lèi)試樣雖然沒(méi)有單晶那樣的高度周期性，但仍表現出一定的有序度，可利用衍射分析得到其內部分子的許多信息。譬如，DNA分子的雙螺旋結構就是基于對纖維試樣的X射線(xiàn)衍射結果的分析而提出，最終得到驗證的。

材料學(xué)應用

晶體學(xué)是材料科學(xué)家常常使用的研究工具。若所要研究物質(zhì)為單晶體，則其原子排布結構直接決定了晶體的外形。另外，結晶材料的許多物理性質(zhì)都極大地受到晶體內部缺陷（如雜質(zhì)原子、位錯等等）的影響，而研究這些缺陷又必須以研究晶體結構作為基礎。在多數情況下，研究的材料都是多晶體，因此粉末衍射在確定材料的微觀(guān)結構中起著(zhù)極其重要的作用。

除晶體結構因素外，晶體學(xué)還能確定其他一些影響材料物理性質(zhì)的因素。譬如：粘土中含有大量細小的鱗片狀礦物顆粒。這些顆粒容易在自身平面方向作相對滑動(dòng)，但在垂直自身平面的方向則極難發(fā)生相對運動(dòng)。這些機制可以利用晶體學(xué)中的織構測量進(jìn)行研究。

晶體學(xué)在材料科學(xué)中的另一個(gè)應用是

物相分析

。材料中不同化學(xué)成分或同一種化學(xué)成分常常以不同物相的形式出現，每一相的原子結構和物理性質(zhì)都不相同，因此要確定或涉及材料的性質(zhì)，相分析工作十分重要。譬如，純鐵在加熱到912℃時(shí)，晶體結構會(huì )發(fā)生從體心立方（body-centered cubic，簡(jiǎn)稱(chēng)bcc）到面心立方（face-centered cubic，簡(jiǎn)稱(chēng)fcc）的相轉變，稱(chēng)為奧氏體轉變。由于面心立方結構是一種密堆垛結構，而體心立方則較松散，這解釋了鐵在加熱過(guò)912℃后體積減小的現象。典型的相分析也是通過(guò)分析材料的X射線(xiàn)衍射結果來(lái)進(jìn)行的。

晶體學(xué)理論涉及各種空間點(diǎn)陣對稱(chēng)關(guān)系的枚舉，因此常需借助數學(xué)中的群論進(jìn)行研究。

生物學(xué)應用

X射線(xiàn)晶體學(xué)是確定生物大分子，尤其是蛋白質(zhì)和核酸（如DNA、RNA）構象的主要方法。DNA分子的雙螺旋結構就是通過(guò)晶體學(xué)實(shí)驗數據發(fā)現的。1958年，科學(xué)家（Kendrew, J.C. et al.）首次通過(guò)研究生物大分子的晶體結構，利用X射線(xiàn)分析方法得到了肌紅蛋白分子的空間模型（Nature 181, 662–666）。如今，研究人員已建立起了蛋白質(zhì)數據庫（Protein Data Bank，PDB），將已測明的蛋白質(zhì)和其他生物大分子的結構供人們免費查詢(xún)。利用蛋白質(zhì)結構分析軟件RasMol，還可對數據進(jìn)行可視化。

中子射線(xiàn)晶體學(xué)可以與X射線(xiàn)晶體學(xué)互補，獲得X射線(xiàn)晶體學(xué)中經(jīng)常缺失的生物大分子氫原子位置的信息。

電子晶體學(xué)應用在某些蛋白質(zhì)，如膜蛋白（membrane protein）和病毒殼體蛋白（viral capsid）結構的研究中。

相變晶體學(xué)

隨著(zhù)現代社會(huì )對工程材料性能的要求越來(lái)越高，對材料研發(fā)周期的要求越來(lái)越短，最大限度的發(fā)揮已有材料的性能潛力，同時(shí)對新型工程材料進(jìn)行科學(xué)的組織設計已經(jīng)成為材料科學(xué)工作者責無(wú)旁貸的歷史使命．在現階段，常見(jiàn)的工程材料仍然主要來(lái)自金屬及其合金，而大量金屬材料是通過(guò)沉淀強化來(lái)獲得最終性能。和其它固態(tài)相變一樣，沉淀相變的過(guò)程受相變熱力學(xué)、動(dòng)力學(xué)和晶體學(xué)的共同控制，其中相變晶體學(xué)揭示的是相變過(guò)程中兩相之間關(guān)系的晶體學(xué)規律，它主要包括沉淀相與母相的位向關(guān)系，沉淀相的慣習面，界面結構等等，是對相變熱力學(xué)和動(dòng)力學(xué)進(jìn)行定量描述的基本參量，是建立材料組織形成理論的必要知識基礎。在工程應用上，人們早已認識到沉淀相的形貌晶體學(xué)是影響沉淀強化效果的主要因素，但是由于對沉淀相形貌晶體學(xué)的研究相對滯后，很大程度上制約了材料性能潛力的發(fā)揮．在這種背景下，有必要充實(shí)相變晶體學(xué)的理論，為科學(xué)控制材料的顯微組織(特別是對于利用沉淀強化的合金)提供理論依據[1]。