晶莹剔透

我们的集体关注在2014年一定会关注纪念第一次世界大战的开始。“结束一切战争”无疑对世界历史产生了深远的影响。但二十世纪的第二个十年也应该以一系列的发现了一个全新的科学学科的路径:晶体学,通过晶体原子和分子结构的研究。它改变了化学和材料科学,现代分子生物学铺平了道路,并庆祝,联合国已经宣布2014年的国际晶体学年。

可以说,也许简单,晶体学是身后的发明的威廉。亨利。和威廉•劳伦斯布拉格(称为劳伦斯),在英国利兹大学和剑桥大学。布拉格,然而,并不旨在发现一个新的学科,甚至调查物质的原子属性。他们更感兴趣的是解决问题,令人费解的是世界上最聪明的物理学家近二十年。发现了x射线威廉伦琴1895年在德国,但他们的名字(未知的X)揭示了有争议的性质。他们粒子或波吗?

1912年,另一个德国物理学家,马克斯·冯·劳厄首次显示,这些x射线散射(或衍射)照射时产生的晶体,这在电影模式,贷款信用波理论。布拉格听到威廉·冯·劳厄的工作在一封给他的同事佬司Vegard,挪威的物理学家。威廉最初相信x射线由粒子和和他的儿子出发证明这是如此。劳伦斯确信他们,然而,随后说服了他的父亲。

劳伦斯布拉格意识到模式的理论可以解释原子的x射线反射在飞机在水晶和互相干扰。当然,现在我们了解电磁辐射,包括x射线,可以被认为是粒子和波,因此,布拉格是正确的,”解释道迈克格雷泽牛津大学物理学名誉教授和结晶学的早期历史的专家。

劳伦斯的法律

劳伦斯布拉格的第一个结果剑桥大学哲学社会1912年11月,发表在《社会诉讼在1913年初在一篇题为“短电磁波的衍射晶体”。劳伦斯,刚从剑桥毕业22岁,是第一个理解劳厄所使用的x射线最初是“白色的”——也就是说,多个波长,这如何影响点的模式。

布拉格的论文包含第一个制定一个最广泛认可的所有物理定律。布喇格定律,一代又一代的学生已经学会了它,与飞机之间的间距原子在晶体(d),传入束x射线的波长(吗?)和衍射角(吗?通过简单的方程n)吗?= 2d罪吗?。因此,如果你知道波长,可以测量衍射角,可以确定飞机间距,因此——通过一些复杂的数学几何的晶格。

布拉格衍射模式的首次获得钻石可以解释它的硬度和闪闪发光

这之后,劳伦斯曾与他的父亲有精确的测量x射线。他们使用的设备看起来非常简单,21世纪的眼睛。它是由威廉和由他设计的乐器制造商CH詹金森在利兹,车间,它有一个几乎结构精巧而不实用的外观(见布拉格的光谱仪)。的电离作用谱仪,布拉格称之为,启用一束单波长射线通过旋转晶体成一个电离室的绕射波被发现,”格雷泽说。这是祖先的所有衍射我们今天使用的设备。第一个结构解决了使用这种设备是氯化钠,食盐,这也于1913年出版。

布拉格继续一起工作的结构简单的物质,直到战争干预和劳伦斯被派往法国。他们研究的第一个结构是钻石从矿物学借来的样品收集在剑桥。布拉格的同名(认为是远房亲戚),广播梅尔文布拉格,r加以说明电台节目庆祝纪念钻石的衍射模式获得的布拉格首次可以解释它的硬度和闪耀。

伦琴首次被授予1901年的诺贝尔物理学奖他发现了x射线;冯·劳厄被授予相同奖在1914年布拉格的诺贝尔之前年之后。他们的奖引用只是使用的x射线来确定晶体结构的。这位25岁的劳伦斯·布拉格收到消息他的奖在战壕里服役时,他的弟弟罗伯特的死后不久在加利波利。他仍然是史上最年轻获得诺贝尔奖。

一个成熟的领域

这些奖品是一长串的第一个。晶体学保持的国际联盟诺贝尔奖的列表授予“成就直接相关,或涉及的使用、结晶学”。现在有29个,没有crystallography-related诺贝尔的最近一年是2008年。即使是2013年的化学奖,授予迈克尔·莱维特和马丁•Karplus 15:25 Warshel出现在列表:计算化学的学科没有结构性知识通过晶体学是不可能的。

许多事件计划庆祝布拉格的工作和他们的同事,以及国际。英国皇家的帮助下,格雷泽计划和安装一个广泛的展览,举行了“两个布拉格”,与2013年8月28日在沃里克欧洲晶体会议;开了英国政府的首席科学顾问Mark Walport,参加了几个布拉格的后代。的展览我们能够显示包括许多原始模型的分子;副本诺贝尔奖牌;布拉格的来信Lars Vegard威廉开始他思考;和四个已知的六个电离作用光谱仪使用的布拉格,”格雷泽说。”和其他两个在加拿大似乎已经消失了。”

毫不奇怪,布拉格的分子和结构研究是最简单的:他们的主要目的是开发相关的实验技术和数学。一旦成立,其他科学家,许多工作在布拉格,开始使用这项技术来确定更复杂的分子的结构。威廉·布拉格和劳伦斯都是先锋在支持有才华的女科学家。凯瑟琳·朗斯代尔也许是最著名的女性和年长的布拉格作为学生和后来的同事。

”直到1929年朗斯代尔发表hexamethylbenzene的分子结构,没有人证明了苯环持平,“化学晶体学家说朱迪思•霍华德英国达勒姆大学的。朗斯代尔在苯衍生物,苯本身,而不是因为苯在室温下是液体,它只有氢取代基对其环:分子的这些特性使其通过晶体学分析。betway必威游戏下载大全

第二次世界大战前几年看到众多领域的进步,但有两个突出。1934年在剑桥,约翰·德斯蒙德伯纳尔(JD)和他的学生多萝西毛茛,后来何杰金氏病,获得第一个从蛋白质的晶体x射线衍射模式。一年后,在美国麻省理工学院的,Lindo帕特森开发了一个功能,极大地简化了数学参与结构的决心。都伯纳尔和威廉帕特森曾与布拉格皇家学会在伦敦,都曾被认为是最杰出的科学家从未赢得诺贝尔奖。

但解决甚至相对较小分子的结构仍难在1960年代及以后,霍华德还记得。她的第一篇论文,出版于1966年,她在布里斯托尔大学的本科,描述了一些金属羰基簇的合成和结构。当我开始在晶体学、数据仍在收集照片,”她回忆道。“最大的突破之一在我早期的职业生涯在扫描和数字化成为可能这些图像的。

霍华德还记得最早的挫折试图解决结构的计算机,和它所有的时间。当我是一个博士生,一个典型的论文包含的结构或许三个小分子的,她说。现在可以解决尽可能多的在一个早晨。现在一个结构可以在几个小时内解决,许多其他类型的实验成为可能。材料物理化学家可以看到如何响应温度或压力的变化,或光,通过求解多次在不同条件下相同的结构。

增加强度

任何需要一束x射线,x射线衍射实验和梁影响的力量和精度实验,可以执行的类型。今天所使用的最强大的x射线产生同步辐射来源;这些在1950年代被发现但不利用晶体学家们几十年来的工具。伊丽莎白Shotton英国工业联络经理同步光源,钻石,解释道:“当粒子物理学家第一次观察到带电粒子沿径向加速时发出电磁辐射,他们自然地集中在高能物理实验这种能量损失是一个讨厌的;他们只逐渐意识到它可能被利用在其他科学应用。

第一个专门的同步加速器建造主要是有用的辐射来源是建于1980年代。英国首次同步SRS在柴郡位于达斯伯里,1980年成立以来,关闭28年后,后年哈维尔在牛津郡的继任者钻石了。

今天的许多同步加速器看起来像从空中巨大的甜甜圈;钻石的戒指是在半公里直径。同步加速器“甜甜圈”并不完全是圆的,然而:多边形,每当产生电磁辐射的粒子——几乎总是电子束——弯曲。强烈的辐射,从红外到高能或“硬x射线”是被beamlines设计优化实验所需的属性。

你能想到的一个同步加速器beamline实验室,每个生产同步辐射光束稍微不同的功率和波长,并提供科学家不同的实验技术,“Shotton说。钻石,目前世界上第五大同步加速器,有23个操作beamlines与另一个10在建。目前使用的设施约3000名科学家和目前有60多个工业客户开展研发工作,需要获得世界级的仪器和科学知识。

桑迪布莱克来自诺丁汉大学的晶体在英国,是使用这两种小分子单晶衍射强度的硬x射线beamline和粉末衍射beamline确定结构和研究有机框架的属性(mof):新材料能够储存气体。一些mof很多孔,毛孔的结构决定了他们可以储存氢的效率等温室气体有限公司₂所以₂。x射线晶体学技术是唯一能确定这一点,”布莱克说。

粉末衍射的主要技术是确定结构的材料,不一定形成大单晶。有同步加速器beamlines优化技术,在高亮度x射线与微晶体样品进行交互。同步加速器粉末衍射使结构处于异常高的精度,确定和beamlines配备先进的探测器可以收集粉末衍射模式非常快。

赵唐是校长beamline科学家工作的高分辨率的粉末衍射beamline钻石。我们可以计划我们的机器人收集衍射数据从200年粉末样品的高通量实验(每个模式几秒钟),选择使用非接触式设备的低和高的温度测量,”他说。我们也可以在从接近绝对零度的温度下运行实验使用低温装置2000 k和熔炉。”

在x射线

电子,中子和更多的异国情调的基本粒子也服从布拉格定律,与他们的波长取决于旅行的速度,所以他们也可以用于衍射。伊西斯,这是位于同一地点在哈维尔钻石,生成快速中子衍射的发射质子束在钨的目标。这些中子的波长范围从0.05到14,这是x射线晶体学中使用的类似。

中子衍射可以用来确定氢分子的确切位置绑定到财政部

大卫希望

大卫希望伊希斯是主要的研究员和现任总统的英国晶体协会。”最基本的中子和x射线衍射的区别是,x射线与电子相互作用,与核和中子。中子衍射,与x射线衍射,可以清楚地看到氢原子一样金属原子如灌了铅一样沉重”,他说。”凯瑟琳·朗斯代尔会着迷,看看散射中子衍射实验已经从她的x射线工作理解分子苯偶酰等包装材料。”

苯的结构在1958年首次解决了用x射线衍射和这个分子晶体学家们继续兴趣:迄今为止最精确的苯的结构是由一组由霍华德使用x射线和中子衍射,并于2002年出版。还有很多其他的例子x射线和中子衍射技术之间的协同作用。桑迪布莱克与团体处理中子衍射时,这种技术可以被用来确定氢分子的确切位置绑定到财政部,“热心的说。“小”的总数(中小)分子三维结构获得使用x射线和中子衍射和存储在剑桥结构数据库现在超过一百万。

在一百岁时,晶体学仍然是一个相对年轻的学科,但它已经从根本上改变了许多其他的学科,通过他们,今天我们居住的世界。但是精明的读者无疑已经注意到,有一些缺了这篇文章。当然,大分子晶体学:从DNA的结构的复杂的分子机器,结构生物学的历史值得特性本身——这将在今年晚些时候。

克莱尔桑塞姆是一个基于科学作家在伦敦,英国