Кристаллография

КРИСТАЛЛОГРАФИЯ, наука об образовании и выращивании кристаллов, об их строении, симметрии, химическом составе и физических свойствах. Кристаллография  возникла в недрах минералогии и стала самостоятельной наукой в середине 18 века, когда обогатилась физическими, математическими и химическими методами исследований. Важнейшим стимулом развития кристаллографии были многочисленные применения кристаллов в науке, технике и ювелирной промышленности. На первом этапе получила развитие геометрическая кристаллография - установление закономерностей огранки кристаллов и симметрии их внешней формы. Наиболее значительные и математически обоснованные результаты в этой области получили А. В. Гадолин (1867) и Р. Ж. Гаюи (1874). Ещё до их работ была высказана и разработана гипотеза о внутреннем периодическом строении кристаллов, которая основывалась на правильности внешнего строения кристаллов. Возможные формы кристаллических решёток были выведены О. Браве (1848). Важнейшее значение для развития всей, и особенно структурной, кристаллографии имели работы Е. С. Фёдорова (1890) и немецкого математика А. Шёнфлиса (1891) по выводу пространственных групп симметрии внутреннего строения кристаллов. Проблема состояла в том, что в кристаллах допустимы только те элементы симметрии, которые согласуются с его главным и обязательным элементом симметрии - кристаллической решёткой. Постепенно кристаллография всё более основательно использовала такие разделы математики, как теория групп, векторное и тензорное исчисления, методы преобразования Фурье. Экспериментально периодичность и решёточное строение кристаллов были доказаны позднее М. Лауэ (1912), открывшим дифракцию рентгеновских лучей на кристаллах (смотри Рентгеновский структурный анализ). Атомное строение кристаллов NaCl, ΖnS, алмаза и др. по дифракции рентгеновских лучей впервые было определено У. Г. Брэггом и У. Л. Брэггом (1913), что положило начало развитию структурной кристаллографии. Отечественную школу структурного анализа кристаллов создал и до конца своих дней возглавлял Н. В. Белов.

Реальные потребности в кристаллических материалах стимулировали исследования по образованию и выращиванию кристаллов, конечная цель которых была в создании лабораторных, а затем и промышленных технологий получения крупных монокристаллов. Одновременно развивались технологии кристаллизации из растворов, расплавов, паровой (газовой) фазы (смотри Кристаллизация). Наиболее плодотворные исследования в области роста кристаллов принадлежат А. В. Шубникову. Изучение роста кристаллов и их физических свойств связано с именем Г. В. Вульфа.

Открытие дифракции рентгеновских лучей на кристаллах, а позднее дифракции электронов и нейтронов (смотри Электронография, Нейтронография) привело к интенсивному развитию структурной кристаллографии, которая даёт возможность установления атомного строения металлов и сплавов, минералов, неорганических и органических соединений, молекул белков, нуклеиновых кислот и даже вирусов. Органические соединения часто, а макромолекулы всегда кристаллизуют только для того, чтобы методами структурной кристаллографии установить их атомную структуру.

Методы кристаллографии востребованы минералогией, материаловедением, физикой твёрдого тела, химией (смотри Кристаллохимия) и молекулярной биологией. Кристаллофизика устанавливает структурную обусловленность физических свойств кристаллов, что позволяет физике твёрдого тела перейти от феноменологического описания свойств кристаллов и явлений, происходящих в них при внешних воздействиях, к микроскопической теории этих свойств и явлений. Установление закономерных связей состав - структура - свойства кристаллов позволяет отказаться от затратного метода проб и ошибок при синтезе кристаллов с необходимыми для техники свойствами и при модификации свойств известных кристаллов путём изоморфных замещений. Молекулярная биология, генная инженерия и конструирование новых лекарств требуют знания атомного строения соответствующих объектов. Методы структурной кристаллографии дают такие сведения наиболее надёжно и точно, однако для этого необходимы развиваемые в кристаллографии методы кристаллизации соответствующих объектов.

Дифракционные методы кристаллографии чувствительны ко всем дефектам реальных кристаллов и позволяют их исследовать. Более того, в кристаллографии развиты методы исследования объектов с частично упорядоченным строением: жидких кристаллов, полимеров и даже аморфных тел и жидкостей.

Лит.: Шубников А. В. Как растут кристаллы. М.; Л., 1935; Шафрановский И. И. История кристаллографии в России. М.; Л., 1962; он же. История кристаллографии с древнейших времен до начала XIX столетия. Л., 1978; он же. История кристаллографии, XIX в. Л., 1980; он же. История кристаллографии в СССР, 1917-1991. СПб., 1996; Современная кристаллография. М., 1979-1981. Т. 1-4; Чупрунов Е. В., Хохлов А. Ф., Фаддеев М. А. Кристаллография. М., 2000.