鉆石（圖片來源：ilovezuan.com） 

　　  

　　什么是晶體 

　　看到漂亮的鉆石，我相信每個人都有擁有它的想法，特別是男同胞們，在對自己心愛的女子求婚的時候，特別希望有一顆大大的鉆石，戴在對方的手上，以表示自己的愛。其實鉆石就是晶體。晶體在我們生活中隨處可見，水凝固后形成的冰，一粒食用鹽，甚至是我們炒菜用的鍋（金屬），這些都是晶體。 

　　那怎樣的物質(zhì)才叫做晶體呢？ 

　　我們都知道，大部分物質(zhì)都是由原子構(gòu)成的，晶體就是原子按照一定的規(guī)則有序排列而成。打個比方，我們在學生時代都會站隊形，每一個人都相當于是一個原子，老師要求我們前后左右對齊有序排列，那么看起來就是整整齊齊的，這就是一塊漂亮的晶體；如果有些同學站得完全不規(guī)律，那就從整體看起來不規(guī)則了，這就不是一塊晶體了。每塊晶體都有一個最小的重復單元，比如這里的一個人，就是一個最小的重復單元。 

　　晶體的用途 

　　研究我們的晶體有什么用呢？因為它給我們的生活帶來了很多便利。晶體的作用在我們的生活中是處處可見的。比如我們煤氣灶上的打火機，當我們按一下大火按鈕，打火機上的壓電陶瓷就產(chǎn)生比較高的電壓，形成活火花而點燃煤氣。其中的壓電陶瓷就是晶體。我們的液晶電視，中的液晶也是一種晶體。早在中國古代，人們就結(jié)晶糖和鹽。 

　　我們研究晶體就是為了更好的為我們服務(wù)，當然不同種類的晶體用途也不一樣，為了尋找具有特定用途的晶體，我們就需要研究每種晶體的性質(zhì)。 

　　如何解析晶體的結(jié)構(gòu) 

　　要回答上述問題，我們首先得感謝倫琴先生，他發(fā)現(xiàn)的X射線能夠幫助我們回答這個問題。要知道，原子是很小的，我們用肉眼是無法看到的，但是，用X射線卻能“看到”！ 

　　提出用X射線來“看”晶體結(jié)構(gòu)的是勞厄先生，但是第一個用X射線來解析晶體結(jié)構(gòu)的卻是布拉格先生。布拉格第一次用X射線衍射解析了金剛石和氯化鈉結(jié)構(gòu)，因此布拉格父子獲得了1915年的諾貝爾獎，并創(chuàng)立了一個新的學科——X射線晶體結(jié)構(gòu)分析。 

　　當我們的X射線照射到我們的晶體，入射光被散射，出射光光程差等于波長的整數(shù)倍時，晶面的散射將加強，此時滿足布拉格方程，我們就會看到一個一個比較強的出射光。當然這個只是知道了哪個晶面在哪個角度會有一個峰，而這個峰的強度信息卻沒有。此外，人們更關(guān)心的是晶體電荷密度和性質(zhì)的關(guān)系，那么衍射的峰強和位置是否能夠聯(lián)系起來呢？ 

　　答案是肯定的，傅里葉變換給了我們這種可能。 

　　因為晶體是由一個一個原胞周期排列而成，所以電荷密度也是一個周期函數(shù)，當我們講電荷密度做傅里葉變換后，我們既可以得到角度的位置，也可以得到角度的光的強度。因此，只要得到了角度位置和峰強，做個反傅里葉變換就應(yīng)該得到我們的電荷密度了。 

　　然而在實驗上，我們卻會丟失相位信息。要知道，相位在圖像中是很重要的，可以看看圖四的例子，當我們將貓和老虎的相位交換以后，貓也能變成老虎。在我們解晶體結(jié)構(gòu)中相位同樣重要。所以現(xiàn)在的首要任務(wù)就是如何去解決丟失的相位問題。 

　

布拉格解析的金剛石晶體結(jié)構(gòu)（圖片來源：oup.com） 


X射線衍射圖（圖片來源：維基百科）


交換兩幅圖片的相位 

　　  

　　實驗中相位的丟失不是沒有解決辦法的，比如Patterson方法，直接法等等，這些方法在這里就不做過多的闡述。在這里，我們就可以請出我們的主角Shelx了。 

　　Shelx就是實現(xiàn)這些方法的一個程序，有了這個程序，解析晶體就變得容易多了。所以解晶體結(jié)構(gòu)的步驟一般就是，收集衍射數(shù)據(jù)，把數(shù)據(jù)交給軟件解析，最后得到晶體結(jié)構(gòu)，過程如圖： 


解金屬Ge晶體結(jié)構(gòu)大致過程（圖片來源：專業(yè)課件） 

　　  

　　在沒有Shelx之前，雖然有一些程序也是處理晶體結(jié)構(gòu)的程序，但是用起來都十分費勁，解一個結(jié)構(gòu)時常要浪費大把時間。但是George M. Sheldrick把直接法和Patterson方法程序化以后，我們就能更容易地得到晶體的微觀結(jié)構(gòu)，知道原子是如何周期排列的。這對我們研究晶體的性質(zhì)是至關(guān)重要的。 

　　舉個簡單的例子，我們知道石墨和金剛石都是由C元素組成的，同樣都是由C元素組成，石墨很軟，金剛石很硬，這是由于他們在微觀上排布是不一樣的，這就導致了他們有不同的性質(zhì)。因此，知道一個晶體中原子的排列順序是對理解晶體的性質(zhì)是很重要的。 


石墨和金剛石的結(jié)構(gòu)（圖片來源：ckcest.cn） 

　　  

　　第一個shelx程序出現(xiàn)在1970年，安裝在劍橋大學的ICLTitan 計算機上。從開發(fā)以來，得到了廣大的科研工作者支持，也為學者們解決了很多的問題。據(jù)統(tǒng)計，shelx軟件的引用量已經(jīng)接近7萬。當然現(xiàn)在解晶體結(jié)構(gòu)的軟件已經(jīng)不限于shelx了，一大批如Fullprof優(yōu)秀的軟件逐漸出現(xiàn)在科研工作者視線里。 

　　總結(jié) 

　　現(xiàn)在的很多研究都是基于晶體的，因此對晶體結(jié)構(gòu)的解析顯得就格外重要。現(xiàn)在熱門的領(lǐng)域，如鋰離子電池、高溫超導，首先就是要知道樣品的晶體結(jié)構(gòu)，有了晶體結(jié)構(gòu)我們才能進一步研究材料的性質(zhì)。 

　　雖然Shelx不是第一個解晶體的軟件，不過它的出現(xiàn)，加快了科研工作者解晶體結(jié)構(gòu)的速度，目前還是有大批科研工作者在使用。 

　　總的來說，晶體學對我們的生活是很重要的，Shelx程序給科研工作者研究晶體性質(zhì)帶來了很多便利，甚至間接也給我們帶來了更美好的生活。 

　　  

　　參考文獻 

　　[1] Sheldrick G M, SPEK A L, EMSLEY P, et al. A SHORT HISTORY OF SHELX[J]. CHEM REV, 2001, 101(6): 1629-1658. 

　　[2] Charles Kittel, Introduction to Solid State Physics (seventh edition), John Wiley Sons, Inc. 

　　[3] M.M. 烏爾福遜，X射線晶體學導論，科學出版社 

　　[4] 梁敬魁，粉末衍射法測定晶體結(jié)構(gòu)，科學出版社 

　　[5] https://blog.oup.com/2013/08/100th-anniversary-first-crystal-structure-determinations-bragg/ 

為了研究這些，科學家開發(fā)神奇程序

圖文簡介

摘要：Patterson方法，直接法等是實驗中相位的丟失的解決辦法，而Shelx就是實現(xiàn)這些方法的一個程序，有了這個程序，解析晶體就變得容易多了。所以解晶體結(jié)構(gòu)的步驟一般就是，收集衍射數(shù)據(jù)，把數(shù)據(jù)交給軟件解析，最后得到晶體結(jié)構(gòu)。第一個shelx程序出現(xiàn)在1970年，安裝在劍橋大學的ICLTitan 計算機上。從開發(fā)以來，得到了廣大的科研工作者支持，也為學者們解決了很多的問題。