Кристаллография — это наука о кристаллических телах, изучающая расположение атомов внутри них. Обычно для этого образец просвечивают пучком рентгеновских лучей и фиксируют картину рассеяния рентгеновских лучей. Интерпретируя эти картины, мы можем получить информацию о том, как расположены атомы в твердом теле. Зная расположение атомов, мы можем понять свойства этих твердых тел и, возможно, улучшить их. Монокристаллы (например, одна крупинка соли или сахара) рассеивают один пучок рентгеновских лучей на множество хорошо разделенных пучков, которые можно зафиксировать в виде серии пятен на рентгеновской пленке.
Порошкообразные образцы, например сахарная пудра или цемент, рассеивают рентгеновские лучи конусообразно, образуя кольца на рентгеновской пленке. Интерпретация картин рентгеновского рассеяния монокристаллов и порошков — область кристаллографии.
Возможно, мы этого не осознаём, но кристаллография лежит в основе многих отраслей науки и технологий, которые мы воспринимаем как нечто само собой разумеющееся в нашей повседневной жизни. Вот история из моей обычной жизни, на примере которой я покажу, какое влияние оказывает кристаллография:
Будильник будит меня в 6:45 утра. Я радуюсь, что дом не снесло ураганом прошлой ночью. Я варю кофе и проверяю электронную почту на телефоне. завтракаю, чищу зубы и отправляюсь на работу. Машина заводится с первого раза, и я еду в университетский кампус, где в последнее время появилось много новых зданий. От поездки у меня разболелась голова, поэтому, добравшись до офиса, я принимаю две таблетки парацетамола. А потом начинается мой рабочий день — я занимаюсь кристаллографией.
Батарейки в моем будильнике и электрической зубной щетке, как и в большинстве электронных устройств, содержат сложный кристаллический материал, который обеспечивает прохождение электрического тока. При разработке материалов для этих целей было проведено огромное количество исследований, в основе которых лежит рентгеновская кристаллография. Ученые использовали этот метод, чтобы понять и усовершенствовать литий-ионные проводники в аккумуляторах.
Кристаллография в повседневной жизни
В моем доме и на работе много бетона, и мы воспринимаем его как нечто само собой разумеющееся, но производство бетона — это по-настоящему сложная химическая реакция. При разработке бетона ученые во многом опирались на кристаллографию: они корректировали состав смеси и использовали рентгеновские лучи, чтобы понять, как изменения в составе приводят к изменениям в атомной структуре, которые лежат в основе прочности и затвердевания цемента.
Металлы, из которых сделан мой автомобиль, — это легкие и прочные сплавы, свойства которых изучает кристаллография. Например, с помощью этого метода можно отличить образец, охлажденный должным образом, от образца, охлажденного неправильно (поскольку последний с большей вероятностью треснет). Кристаллография используется для изучения напряжений в материалах и разработки компонентов, устойчивых к нагрузкам. Без кристаллографии у нас просто не было бы легких компонентов, которые сегодня широко используются в автомобилях и самолетах.
Точно так же развитие микроэлектроники, благодаря которой появились мой телефон и планшет, было бы невозможно без кристаллографии. Сложные полупроводники, содержащие слои из разных материалов с согласованной структурой, были созданы с помощью кристаллографии.
Картина рентгеновской дифракции порошка кремния. Наличие колец указывает на то, что образец представляет собой порошок, а не монокристалл. Тим Прайор
А что насчет парацетамола, который я принял от головной боли? Кристаллография оказала огромное влияние на фармацевтическую промышленность: она стала золотым стандартом для определения структуры новых лекарств. Знание структуры лекарства позволяет понять, как оно взаимодействует с организмом. Важно отметить, что с помощью кристаллографии можно определить чистоту рецептурных препаратов: каждое соединение имеет уникальный «отпечаток» в виде особенностей рассеяния рентгеновских лучей. Если в структуре есть дополнительные элементы, значит, препарат был подделан. Таким образом, кристаллография сыграла ключевую роль в разработке безопасных и эффективных лекарственных препаратов.
Практически любое твердое устройство или прибор в той или иной степени были разработаны или усовершенствованы с помощью кристаллографии. Она оказала огромное влияние на наш современный мир.
ЮНЕСКО решила отметить достижения фундаментальной науки, которая помогла сделать множество открытий в жизни человечества, начиная с первой кристаллической структуры, открытой в 1912 году, структуры ДНК, открытой в 1953 году, и заканчивая современными исследованиями сложных белков и материалов, предназначенных для хранения водорода или улавливания углекислого газа. Но кристаллография применяется не только на Земле: в сентябре 2013 года группа ученых из NASA под руководством Дэвида Биша из Университета Индианы представила доклад о минералогии Марса. Проведенные на Марсе кристаллографические эксперименты позволили определить состав горных пород и подтвердили наличие воды на Красной планете.
В 2014 году на научных ярмарках будут чествовать кристаллографию — тихую и неприметную научную дисциплину, без которой современная жизнь была бы совсем другой.
Тимоти Прайор получил финансирование от Исследовательского совета по инженерным и физическим наукам Великобритании в рамках гранта EP/I028692/1.