결정학

3. 방법론

결정학 연구에는 현미경, 특히 편광 현미경이 오래전부터 사용되어 왔지만, 빛의 파장은 원자 간 결합에 비해 너무 길어 한계가 있었다. 전자 현미경도 자세한 관찰이 어려웠고, 더 짧은 파장을 사용하면 실제 이미지를 얻기 어려웠다. 이는 단파장을 집속할 수 있는 렌즈와 같은 재료가 없었기 때문이다. 하지만 최근 금으로 만든 X선 현미경용 프레넬 존 플레이트를 통해 X선을 어느 정도 집속하는 것이 가능해졌다.

푸리에 변환과 같은 수학적 방법과 모델링 및 개선 과정은 회절 패턴으로부터 이미지를 얻기 위해 필요하다. 가상 "모델" 구조에서 예측되는 회절 패턴과 실제 시료에서 얻은 패턴을 비교하여 모델을 개선해 나간다.

회절 패턴은 파동이 규칙적인 배열에 의해 회절될 때만 얻을 수 있으므로, 결정학은 기본적으로 결정 또는 결정화 가능한 분자에만 적용된다. 그러나 섬유나 분말에서 얻은 패턴으로도 분자 정보를 얻을 수 있는데, 이들은 어느 정도 질서 있는 구조를 가지기 때문이다. 예를 들어 DNA의 이중 나선 구조는 섬유상 샘플의 X선 회절 패턴으로 밝혀졌다.

결정학은 결정 내 원자 배열의 대칭 패턴(대칭군)을 포함하므로, 군론 및 기하학과 깊은 관련이 있다.

3. 1. 주요 방법

• X선은 시료 내 전자의 공간 분포와 상호 작용한다.^[11]
• 중성자는 강한 핵력을 통해 원자핵에 의해 산란되지만, 중성자의 자기 모멘트는 0이 아니므로 자기장에 의해서도 산란된다. 중성자가 수소를 포함하는 물질에서 산란될 때, 높은 노이즈 레벨을 가진 회절 패턴을 생성하는데, 이는 때때로 중수소를 수소로 치환하여 해결할 수 있다.^[12]
• 전자는 하전 입자이므로 시료의 원자핵과 전자 모두의 총 전하 분포와 상호 작용한다.^[13]

3. 2. 회절 패턴 분석

• X선은 시료 내 전자의 공간 분포와 상호 작용한다.^[11]
• 중성자는 강한 핵력을 통해 원자핵에 의해 산란되지만, 중성자의 자기 모멘트는 0이 아니므로 자기장에 의해서도 산란된다. 중성자가 수소를 포함하는 물질에서 산란될 때, 높은 노이즈 레벨을 가진 회절 패턴을 생성하는데, 이는 때때로 중수소를 수소로 치환하여 해결할 수 있다.^[12]
• 전자는 하전 입자이므로 시료의 원자핵과 전자 모두의 총 전하 분포와 상호 작용한다.^[13]

4. 다양한 분야에서의 응용

결정학은 재료 공학과 생화학 분야에서 널리 응용되고 있다.

결정학의 주요 방법은 시료에 특정 빔(주로 X선)을 쬐어 발생하는 회절 패턴을 분석하는 것이다. 목적에 따라 전자나 중성자를 사용하기도 하는데, 이는 입자가 파동의 성질도 가지고 있기 때문이다. 회절 패턴을 얻기 위해서는 푸리에 변환 등 수학적 방법과 모델링 및 개선 과정이 필요하다.

결정학은 기본적으로 결정에만 적용할 수 있지만, 섬유나 분말로부터 얻은 패턴으로도 분자에 관한 정보를 얻을 수 있다. 예를 들어, DNA의 이중 나선 구조는 섬유상 샘플의 X선 회절 패턴으로 밝혀졌다.

결정학 연구에는 결정 내 원자 배열에 기인하는 대칭 패턴(대칭군)을 포괄하는 것도 필요하며, 이 때문에 군론 및 기하학과 깊은 관련이 있다.

4. 1. 재료 과학

4. 2. 생물학

5. 주요 결정학자

6. 참고 문헌

International Tables for Crystallography^영어는 결정의 형식, 설명 및 검정을 위한 표준 표기법을 설명하는 8권짜리 시리즈이다.^[16] 이 시리즈에는 X선 결정학, 전자 회절 및 중성자 회절을 통한 유기 구조 결정을 위한 분석 방법과 수학적 절차를 다루는 책들이 포함되어 있다. International Tables^영어는 절차, 기술 및 설명에 중점을 두며 개별 결정 자체의 물리적 특성은 나열하지 않는다. 각 책은 약 1000페이지 분량이며, 책의 제목은 다음과 같다.

• A권 - Space Group Symmetry^영어 (공간군 대칭)
• A1권 - Symmetry Relations Between Space Groups^영어 (공간군 사이의 대칭 관계)
• B권 - Reciprocal Space^영어 (상호 공간)
• C권 - Mathematical, Physical, and Chemical Tables^영어 (수학적, 물리적 및 화학적 표)
• D권 - Physical Properties of Crystals^영어 (결정의 물리적 특성)
• E권 - Subperiodic Groups^영어 (부주기적 군)
• F권 - Crystallography of Biological Macromolecules^영어 (생물학적 거대분자의 결정학)
• G권 - Definition and Exchange of Crystallographic Data^영어 (결정학적 데이터의 정의 및 교환)

참조

_[1] 웹사이트 Online Dictionary of Crystallography https://dictionary.i[...] International Union of Crystallography 2024-05-22
_[2] 웹사이트 Online Dictionary of Crystallography https://dictionary.i[...] 2024-03-11
_[3] 웹사이트 International Year of Crystallography http://www.iycr2014.[...] 2012-07-12
_[4] 논문 The Evolution of the Goniometer 1915-07-01
_[5] 논문 Chemical Crystallography before X-ray Diffraction https://onlinelibrar[...] 2014-01-13
_[6] 논문 Crystallography before the Discovery of X-Ray Diffraction 2020-03-02
_[7] 논문 Interferenz-Erscheinungen bei Röntgenstrahlen https://commons.wiki[...] 1912
_[8] 논문 The Scattering of Electrons by a Single Crystal of Nickel https://www.nature.c[...] 1927
_[9] 논문 Diffraction of Cathode Rays by a Thin Film https://www.nature.c[...] 1927
_[10] 논문 The Nobel Science: One Hundred Years of Crystallography https://journals.sag[...] 2015-07-03
_[11] 서적 Elements of X-ray diffraction https://en.wikipedia[...] Prentice Hall 2001
_[12] 웹사이트 ISIS Neutron Diffraction with Isotopic Substitution https://www.isis.stf[...] 2024-07-02
_[13] 서적 Diffraction physics https://en.wikipedia[...] Elsevier Science B.V 1995
_[14] 웹사이트 Materials Science and Engineering: An Introduction, 10th Edition Wiley https://www.wiley.co[...] 2022-09-10
_[15] 논문 A Three-Dimensional Model of the Myoglobin Molecule Obtained by X-Ray Analysis
_[16] 서적 International Tables for Crystallography Vol. C: Mathematical, Physical and Chemical Tables https://openlibrary.[...] Wiley