Рентгеноструктурный анализ (РСА) является фундаментальным методом изучения кристаллических структур. Основан на дифракции рентгеновских лучей на регулярной решётке кристалла. При взаимодействии рентгеновских лучей с электронными оболочками атомов возникает дифракционная картина, которая фиксируется детектором. Анализ интенсивности и положения отражений позволяет определить:
Современные методы РСА включают одно- и многокристалльную дифракцию, использование синхротронного излучения для высокоточных измерений. РСА позволяет получать трехмерные модели кристаллов с атомарным разрешением, что делает его ключевым инструментом кристаллохимии.
Просвечивающая электронная микроскопия (ПЭМ) и сканирующая электронная микроскопия (СЭМ) используются для визуализации структуры кристаллов на нано- и микромасштабах. ПЭМ позволяет получать информацию о внутренней структуре кристаллов и дефектах решётки, включая дислокации и вакансии. СЭМ обеспечивает изучение поверхности кристаллов, морфологии кристаллитов и их агрегатов.
Применение электронных микроскопов с высоким разрешением (HRTEM) позволяет наблюдать атомарную структуру и фазовые границы. Методы электронной микроскопии часто комбинируются с рентгеноспектроскопией для анализа химического состава на микроуровне.
Рентгенофазовый анализ основан на регистрации дифракционных спектров порошков и поликристаллических образцов. РФА позволяет определить:
Метод активно используется для контроля чистоты синтезируемых соединений и изучения полиморфизма. В комбинации с математической обработкой спектров (методы Ритвельда) РФА даёт количественную информацию о фазовых долях и структурных параметрах.
Инфракрасная (ИК) и рамановская спектроскопия позволяют исследовать локальные вибрационные состояния атомов в кристаллах. Они дают информацию о типе химической связи, симметрии молекул и структурных аномалиях. ИК-спектроскопия эффективна для изучения колебаний полярных связей, тогда как рамановский метод особенно чувствителен к неполярным и симметричным колебаниям.
Ядерный магнитный резонанс (ЯМР) и ЭПР-спектроскопия позволяют исследовать электронные и ядерные состояния в кристаллах, выявляя локальные дефекты, а также взаимодействия между атомами.
Дифференциальный термический анализ (ДТА) и термогравиметрия (ТГ) позволяют исследовать тепловые эффекты, связанные с фазовыми переходами, дегидратацией и разложением кристаллов. ДТА фиксирует разницу температуры между исследуемым образцом и инертным эталоном, что позволяет выявлять точку плавления, полиморфные переходы и кристаллические преобразования. ТГ позволяет количественно определить потерю массы при нагреве и оценить стабильность кристаллов.
Нейтронная дифракция используется для изучения положения лёгких атомов (водорода, лития) в кристаллах, что трудно выявить рентгеновским методом. Она позволяет получать данные о магнитной структуре материалов и динамике атомов. Применение нейтронной дифракции особенно важно для изучения гидратированных соединений и кристаллов с низкой Z-атомной плотностью.
Современная кристаллохимия активно использует методы молекулярной динамики, квантово-химические расчёты и плотностно-функциональные методы (DFT) для предсказания структуры кристаллов и их свойств. Моделирование позволяет:
Сочетание экспериментальных данных и вычислительных методов создаёт мощный инструмент для глубокого понимания кристаллохимической структуры и поведения веществ.
Атомно-силовая микроскопия (AFM) и рентгеновская фотоэлектронная спектроскопия (XPS) применяются для изучения поверхности кристаллов и химического состава внешнего слоя. AFM позволяет получать топографию поверхности с атомным разрешением, выявлять дефекты и шероховатости. XPS даёт количественную информацию о химическом составе, степенях окисления и связывании атомов на поверхности.
Эффективное исследование кристаллов требует комплексного применения методов: рентгеноструктурного анализа, спектроскопии, микроскопии, термодинамических и вычислительных методов. Совмещение данных различных методов позволяет достичь полного понимания структуры, свойств и закономерностей формирования кристаллов.
Кристаллохимия как наука опирается на эти методы для анализа структуры, изучения дефектов, фазовых переходов и взаимодействий, что делает её ключевой дисциплиной для разработки новых материалов и функциональных соединений.