Kristallografie

Kristallografie is die wetenskap van kristalle, hul fases, vorme, simmetrieë en strukture.

Die meeste vaste stowwe is kristallyn en het 'n geordende kristalrooster, 'n reëlmatige struktuur met translasiesimmetrie wat dikwels ook rotasiesimmetrie besit. Hierdie simmetrie kan beskryf word met een van die 230 wiskundige ruimtegroepe. Daar bestaan ook vaste stowwe wat geen kristalrooster het nie. Hulle struktuur is nie reëlmatig gerangskik nie en hulle word amorfe vaste stowwe genoem.

Anisotropie

In vloeistowwe of amorfe vastestowwe is eienskappe in alle rigtings dieselfde, en hierdie materiale is isotroop. 'n Kristalsimmetrie is egter altyd laer as 'n ewekansige bolsimmetrie. 'n Kristalliet het daardeur bepaalde rigtings waarin sy eienskappe anders is as in die oorblywende rigtings, en dit staan bekend as anisotropie.

Kristalgroei

Polikristallyne materiale

'n Polikristallyne materiaal

'n Kristallyne materiaal bestaan meestal uit talle mikroskopiese kristalliete. Elke kristalliet het sy eie rangskikking maar die materiaal-klomp – byvoorbeeld 'n stuk yster of 'n ysblokkie – kan sy eie vorm hê wat nie die simmetrie van die indiwiduele kristalliete verraai nie. Kristalliete vorm deur 'n groeiproses, byvoorbeeld uit 'n oplossing of uit 'n gesmelte stof wat afgekoel word. Dikwels is daar talle groeikerne wat almal groei totdat hulle mekaar raak. Dit lewer 'n polikristallyne stof met talle klein kristalliete as resultaat, wat in sy geheel isotroop kan wees, indien die kristalliete ewekansig oor alle rigtings verdeel is. Die kristalliete se rigtings hoef egter nie heeltemal ewekansig te wees nie – 'n voorkeuroriëntasie kan naamlik bestaan. Ewekansigheid kan egter bereik word deur die materiaal te verpoeier. 'n Poeier is meestal isotroop tensy die poeierdeeltjies sterk naaldvormig is of uit vesels of plaatjies bestaan.

Kristalle

'n Oktaëdriese fluorietkristal. (CaF₂)

Indien een kristalkern vrylik kan groei, kan dit 'n kristal word wat sentimeters of selfs meters in omvang is. Die groei is dikwels nie perfek nie en die groot kristal kan in der waarheid uit twee of meer tweelinge of meerlinge bestaan. Onder besondere omstandighede kan 'n enkelkristal verkry word waarin daar net een onversteurde kristalrooster teenwoordig is. Groot kristalle wat in die natuur gevind word of sinteties vervaardig word, het dikwels 'n vorm wat toon watter inwendige rotasiesimmetrie hulle besit. Indien hierdie simmetrie kubies is, het kristalle dikwels 'n oktaëdriese of kubiese vorm. Heksagonale of tetragonale simmetrie lewer dikwels naaldjies of plaatjies met 'n seshoekige of vierkantige omtrek.

Tegnieke

Kristalgroei kan onder verskeie omstandighede plaasvind en daar is heelparty tegnieke om kristalle te vervaardig.

1. Groei uit oplossings
   1. Termies: Die oplosbaarheid van 'n stof in 'n oplosmiddel hang van die temperatuur af. By hoër temperature is die oplosbaarheid groter, hoewel daar ook uitsonderings op hierdie reël is.
      1. Herkristallisasie: 'n By hoë temperatuur versadigde oplossing word afgekoel waardeur dit oorversadig word en kristalle groei wat suiwerder is as die ontstaanstof.
   2. Deur verdamping: Indien die oplosmiddel vlugtig is en geleidelik verdamp sal ook 'n oorversadiging ontstaan en kan kristallisasie plaasvind.
   3. Deur osmose: Indien die oplossing blootgestel word aan 'n oplossing met hoër osmotiese druk aan die ander kant van 'n halfdeurlatende vlies sal die oplosmiddel geleidelik verdwyn en oorversadiging bereik word.
2. Groei uit gasfase
   1. Sublimasie en deposisie is 'n ander suiweringsmetode.
   2. Chemiese transport: 'n Temperatuurgradiënt veroorsaak 'n verskuiwing in die ligging van 'n chemiese ewewig waardeur materiaal deur die gasfase van die een temperatuur na die ander vervoer word en daar kristalliseer.
3. Groei uit 'n smelt: Indien 'n kongruent smeltende stof gesmelt word en weer afgekoel sal dit gewoonlik kristalliseer, hoewel dit gewoonlik tot onder sy smeltpunt verkoel moet word. Daar is enkele tegnieke wat hierop gebaseer is:
   1. Sonesmelting

Optiese kristallografie

Die studie van die optiese eienskappe van kristalle is 'n belangrike afdeling van kristallografie. Optiese navorsing is veral belangrik as 'n onderafdeling van mineralogie en die uitkenning van minerale. Dit is nuttig om die kristalstelsel van die mineraal te bepaal.

Mikroskopie

Groeiende kristalle van vitamien C onder gekruisde polariseerders

'n Petrografiese mikroskoop ('n ligmikroskoop met gepolariseerde lig) word dikwels hiervoor aangewend. Dit bevat twee polariseerders waarvan die rigtings loodreg op mekaar gestel is, en as gekruisde polariseerders bekend staan. 'n Nie-kristallyne monster sal langs hierdie optiese pad donker voorkom. Indien die monster egter dubbelbrekend is, verander die polarisasierigting van die lig wat die kristal deurskyn en sal dit die oogstuk bereik. Omdat die lig se polarisasierigting mag verskil van een golflengte na die ander, ontstaan daar soms kleurryke beelde.

Isotrope materiale soos vloeistof of glas is nie dubbelbrekend nie en dit geld ook vir kubiese kristalle. Kristalle van nie-kubiese kristalle is wel dubbelbrekend. 'n Ander eienskap wat bepaal kan word is of die kristal een- of tweeassig is. 'n Kristal se kristalstelsel kan sodoende gedeeltelik bepaal word:

Kristalstelsel	Dubbelbreking
Kubies	Geen
Tetragonaal	Eenassig
Heksagonaal	Eenassig
Ortorombies	Tweeassig
Monoklinies	Tweeassig
Triklinies	Tweeassig

'n Ander belangrike kenmerk van 'n kristal is die hoeke wat die kristalvlakke met mekaar vorm. Vir tetragonale kristalle is dit dikwels 90 grade, terwyl dit byvoorbeeld by heksagonale kristalle dikwels 60 of 120 grade sal wees.

Diffraksie

Diffraksiepatroon van 'n proteïenkristal

Die hoofartikel vir hierdie afdeling is: X-straalkristallografie.

Die hoofartikel vir hierdie afdeling is: Neutrondiffraksie.

By blootstelling van kristalle aan straling met 'n golflengte wat in die grootteorde van die atome lê, soos x-strale, neutrone of elektrone, ontstaan diffraksiepatrone. Die studie van hierdie patrone kan die interne kristalstruktuur onthul en hierdie studie het hom ontwikkel tot eie vakgebiede wat soms ook kristallografie genoem word.

Verwysings

1. Jesse Crawford Optical Crystallography mindat.org.