Kristallografi. De tre benen. Förr Nu Framtiden. Symmetri Röntgenstrålning Datorn

Transkript

1 Kristallografi De tre benen Symmetri Röntgenstrålning Datorn Förr Nu Framtiden

2 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. tomt 1 ev elektroner

3 Kristallografi Göran Svensson Disputerade vid LTH 1989 Chalmers

4 Naturvetenskapliga år 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

5 Carolina Rediva (Uppsala universitetsbibliotek) (Slut 4/5 2014) 6/4 Kristallklart på Nobelmuseum i Stockholm 23/4 Ytterby gruva

6 Två montrar om kristallografi De 7 kristallsystemen, hexagonala och trigonala Artikelserie i Kemivärlden under 2014 Lång artikel om kristallografi i Litofilen nr Utställning på bibliotek i höst?

7 Platonska kropparna 5 stycken Pytagoras ( f.kr.) Euklides Elementa (ca 300 f.kr.) Tetrahedrit Diamant Tetraeder Kub Oktaeder Ikosaeder Dodekaeder

8 Vem var den första kristallografen? Johannes Kepler Publicerad 1611

9 Supersaturation = Övermättnad

10 Symmetri Rotation

11 Spegelplan Losec : S- och R-omeprazol Nexium: S-omeprazol Apelsin Citron

12 Rotation: Rotoinversion: 1 2 m 3 4 6

13 Minsta lådan i en kristall, enhetscellen symmetri st st 3 7 kristallsystem

14 Kyanit(triklin) Natron (monoklin) Baryt (ortorombisk) Rutil (tetragonal) Kvarts (trigonal) Beryll (hexagonal) (Berylliumaluminiumsilikat) Halit (kubisk)

15 3-D 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

16 Nicolaus Steno ( ) Den moderna geologins fader Stratigrafi och fossil Bibeln och Noaks ark (biskop) Lagen om konstanta vinklar

17

18 Upplösning ~λ Ljusmikroskop : ~ 40 µm C H : 0.95 Å ( µm) C C : 1.54 Å Na Cl : 2.36 Å Ba Ba : 4.35 Å

19 Nutid! 1895 Röntgenstrålning 1896 Radioaktivitet 1897 Elektronen 1905 Relativitetsteorin 1917 Protonen 1932 Neutronen

20 Röntgenstrålning i kemins tjänst Röntgenbild DR. WILHELM KONRAD RÖNTGEN ( ) Upptäckte röntgenstrålningen 1895 (fredagen den 8 november) och för det fick han det första Nobelpriset i fysik 1901 Datortomografi

21 Röntgenstrålning när seklet var ungt Radioaktiv hudkräm Thorium och radium För bra passning av skor Tre intensitetslägen: Hög (män), medel (kvinnor) och låg (barn)

22

23 Max von Laue, Nobelpris 1914 (fysik) Kristaller sprider röntgenstrålning Nobelpriset i fysik 1915 (fysik) Analys av kristallstrukturer med röntgenstrålning William Bragg ( ) Lawrence Bragg ( )

24 Braggs lag

25 Weissenbergkamera

26

27

28

29

30

31 Fasproblemet h k l är en reflex h 0 -> 10 k 0 -> 10 l 0 ->10 10x10x10 = 1000 reflexer X,Y,Z = koordinater i enhetscellen

32 Herbert Hauptman och Jerome Karle, 1987 för deras avgörande insatser vid utveckling av direkta metoder för kristallstrukturbestämning Isabella Karle

33 Från kristall till struktur

34 DNA James Watson och Francis Crick (Maurice Wilkins) Nobelpriset i medicin 1962 Rosalind Franklin ( )

35 Filmtime Kristallväxning Kristall Kristallstruktur Egenskaper

36 Koksalt Perovskit

37 Minsta lådan i en kristall, enhetscellen symmetri st st 3 7 kristallsystem

38

39 Dan Shechtman, Nobelpris i kemi 2011 För upptäckten av kvasikristaller Jan Olov Bovin, Lund 1986 Ho,Mg, Zn-kristall (legering)

40 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

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

42 Roger Kornberg, 2006 (kemi) Kartläggningen av hur DNA läses av RNA polymeras II (hur DNA läses av)

43 Roderick McKinnon 2003 (kemi) Jonkanaler som låter K + (kalium) passera men inte den mindre jonen Na + (natrium) Cellmembranet

44 John Walker, 1997 (kemi) klargörande av den enzymatiska mekanismen för syntes av adenosintrifosfat (ADP)

45 Johann Deisenhofer, Hartmut Michel och Robert Huber, 1988 (kemi) För bestämningen av den tredimensionella strukturen hos ett fotosyntetiskt reaktionscenter Johann Robert Hartmund Michael

46 Aaron Klug, 1982 (kemi) för hans utveckling av kristallografisk elektronmikroskopi och hans klarläggande av strukturen hos biologiskt viktiga nukleinsyra-proteinkomplex

47 Dorothy Crowfoot Hodgkin, 1964 (kemi) Insulin Penicillin Vitamin B 12 Vitamin B 12

48 Max Perutz, 1962 (kemi) Bestämde strukturen för hemoglobin Med frun Gisela på bal

49 John Kendraw, 1962 (kemi) Strukturen hos myoglobin

50 Maurice Wilkins, John Steinbeck, John Kendraw, Max Perutz, Francis Crick, James Watson (December 1962) Kommer kristallografer att behövas i framtiden?

51 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

52 Sydsvenska Dagbladet

53 < 1 miljon kr

54

55 Ser ni det här har jag dragit över tiden talat väldigt fort glömt hälften tekniken har krånglat

56 >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.

57 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

58 Kristallstruktur från enkristalldata Växa en kristall Kristallen skall bada i en röntgenstråle som är cirka 0,25 mm i diametar Lämplig kristallstorlek < 0,20 mm.

59 Kristallstruktur från enkristalldata Växa en kristall Kvarts, SiO 2, Trigonalt kristallsystem, rymdgrupp P3 2 2 Enhetscellen: a = Å, c = Å Cellens volym: Å 3 Antal formelenheter i cellen: Z = 3 x/a y/b z/c Si1 +4 3a (2) OBS O1-2 6c (4) (4) (2) Fraktionella koordinater Si O Å Si O Å Si Si Å Si O Si o Struktur

60 Kristallstruktur från enkristalldata Växa en kristall Montera Montera kristallen på en tunn glaspinne och sedan på ett goniometerhuvud Detta görs under mikroskåp Struktur

61 Kristallstruktur från enkristalldata Växa en kristall Datainsamlingen sker sedan med en diffraktometer. Montera Bestäm enhetscellen. Kolla kristallkvaliten. Därefter samlas data in. Kristall Detektor Datainsamling Röntgenrör Struktur

62 Kristallstruktur från enkristalldata Växa en kristall Montera Datainsamling Korrigera data Korrigera för Absorption Polarisation Geometriska faktorer Lista på reflexer (1000-tal) h k l Intensitet sigma Struktur

63 Kristallstruktur från enkristalldata Växa en kristall Intensiteter Struktur FASPROBLEMET Struktur Intensiteter (går bra) Montera Datainsamling Korrigera data Lös strukturen 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 Struktur Förfina strukturen tills R-värdet blir lågt, <5% R mätdata modelldata mätdata

64 Kristallstruktur från enkristalldata Växa en kristall Montera Datainsamling Korrigera data ANALYSERA Jämför med andra strukturer Struktur - egenskapsamband Det finns två sorters kvarts Högerkvarts Vänsterkvarts Lös strukturen Struktur Strukturen kan beskrivas som helixar av SiO 4 - tetraedrar som vrider sig åt höger eller vänster