Kristalografi Nedir ? Kristallerin İç Yüzünü Merak Edenler Buraya!

Kristalografi Nedir ?

Kristalografi bağımsız bir bilimsel disiplindir ve mineralojinin alt dalıdır. Kristalografinin inceleme alanı minerallerin şekilleri ve yapılarıdır. Atom ya da moleküllerin üç boyutlu olarak dizilimleri X ışınları ile yapılan yapılarda incelenmiştir. Fizikokimyasal olarak mineral kristallerinde atom ve moleküller belirli bir düzen içinde bulunmaktadırlar. Amorf yani şekilsiz kristallerde ya da minerallerde atomlar ve moleküller rastgele bir dizilme göstermektedirler. Mineraller oluşum esnalarında katılaşma yaşarken düzenli ve düzgün yüzeyleri olan geometrik şekilleri uygun şartlar altında olduğunda oluştururlar. Kristalografi ile elmas ilk incelenen madde olarak kayıtlara geçmiştir. Daha sonra teknolojik yapıların gelişmeleriyle birlikte daha karmaşık yapılar ortaya çıkmıştır. X ışını kırınım yöntemleri ile HIV virüsü, proteinler, DNA, grafit, silikatlar ve birçok kristal yapı incelenmiştir. Kristalografi ile gelecekte çözülmeyen birçok biyolojik, fiziksel ve kimyasal yapılar çözüme kavuşacaktır. Ayrıca var olan ya da oluşabilecek hastalıkların tedavisi kristalografi ile çözümlenecektir. Kristaller simetri ve düzenden dolayı önceden beri ilgi çekmesine rağmen 17. yüzyıla kadar bilimsel olarak araştırılmamışlardır. Johannes Kepler 1611 yılında Strena Seu de Nive Sexangula adlı çalışmasında küresel su taneciklerin düzenli dizilişinden kar tanelerinin altıgen simetrilerinin oluştuğu hipotezini öne sürmüştür.

X Işını Kristalografisi

Bir kristalin moleküler ve atomik yapısını incelemek için X ışını kristalografisi kullanılır. Ayrıca X ışını demetindeki ışınların kristalleşmiş atomların kristale özel farklı yönlerde kırınımı olayına dayanan bir yöntem olarak da kullanılmaktadır. Bir kristalografi uzmanı kristaldeki elektronun yoğunluğunun üç boyutlu bir görüntüsünü elde etmek için kırınıma uğrayan X ışını demetlerinin açılarını ve genliklerini ölçmelidir. Kristaldeki atomların kristal yapıdaki düzensizlikler, kristal bağları ve bazı başka bilgilerle birlikte ortalama konumları bu elektron yoğunluğundan tespit edilebilir. Mineraller, yarı iletkenler, tuzlar, metallerde olduğu kadar çeşitli organik, inorganik ve biyolojik moleküller de kristal oluşturabilmektedirler. Bununla birlikte X ışını kristalografisi birçok bilim alanına temel oluşturmuştur. Atomik ölçeklerin farklarını keşfinden itibaren ilk on yılda bu yöntem çeşit çeşit malzemelerin özellikle de alaşım ve minerallerin kimyasal bağların uzunluklarını, türlerini ve atomların büyüklüklerini bulmakta kullanılmıştır. X ışını kristalografi yöntemi birçok biyolojik molekülün yapısını ve işlevini vitaminler, proteinler, ilaçlar ve DNA gibi nükleik asitlerinde ortaya çıkarmıştır. Bu gün hala farklı deneylere konu ve yeni malzemelerdeki atomik yapının tanımlanması malzemeler arasındaki benzerliklerin anlaşılması için de başlıca yöntem olarak kullanılmaktadır. Kristal yapılar X ışınıyla anlaşılmaktadır ve bir malzemenin alışılmışın dışında esneklik ve yeni elektronik özelliklerini açıklayabilmektedir. Hastalıklara karşı yeni ecza malzemelerinin tasarımını ortaya çıkarabilir ya da kimyasal bir ışık sürecine ışık tutabilmektedir. Bir x ışını kırınım ölçümünde kristal açı ölçerin üzerine yerleştirilerek yavaş yavaş döndürülmesiyle X ışınlarına tabi tutulur ve kırınıma uğrayan ışınlar yansıma olarak da bilinen bir spot deseni oluşturmaktadır. Kristaldeki elektronların üç boyutlu modeli elde etmek için, değişik açıdan elde edilen iki boyutlu görüntülerle birlikte matematiksel Fourier dönüşüm yöntemi kullanılır ve kullanılan numune kimyasal verilerle birleştirilir. Kristallerin çok küçük olması ya da iç yapılarının istenilen düzeyde düzenli olmaması düşük çözünürlük ( yani bulanık) gibi hatalar oluşturabilir. Atomik yapıların tespitinde kullanılan birçok başka metotlar da X ışını kristalografisi ile ilişkilidir. Fourier dönüşümleriyle yorumlanabilecek benzer kırınım desenleri elektron ve nötronların saçılmasından da elde edilebilir. Kristallerin istenilen büyüklüğe getirilmesinin mümkün olmadığı zamanlarda; daha az ayrıntılı bilgi verebilecek un kırınımı, fiber kırınımı ve küçük açı X ışınımının saçılması gibi başka X ışını metotları devreye sokularak çözüm sağlanabilir. Elektron kristalografisi atomik yapıyı belirlemek için; araştırılan kristal sadece nanokristal şeklindeyse ya da kristali zayıfsa kullanılabilir.

Kristallerin X Işını Analizi

X ışını ile buzun elde edilen görünümü

X ışınları elektromanyetik radyasyon dalgalarıdır. Aynı zamanda kristaller düzenli atom dizileri olarak da görülebilmektedir. İlk olarak atomlar X ışını dalgalarının elektronları vasıtasıyla saçılımına ( dağılmak) neden olmuştur. Bir okyanus dalgası deniz fenerine çarpar ve fenerden uzaklaşan ikincil dairesel dalgalar oluşturması gibi bir elektrona çarparak X ışını dalgası da elektrondan uzaklaşan ikincil dairesel küresel dalgalar oluşturur. Yaşanan bu olaya elektron ya da deniz feneri saçıltıcı ve esnek saçılma olarak bilinir. Düzenli küresel dalgaları düzenli olarak yerleştirilmiş saçıltıcılar oluşturur. Bu küresel dalgalar yıkıcı bir girişimleri olması nedeniyle çoğu yönde birbirlerini yok ederler. Ancak birkaç belli yönde birbirlerinin üstüne binmeleriyle yapıcı bir girişim oluştururlar. Bu oluşum Bragg saçılma kanunu ile bulunmaktadır. Kırınım deseni üzerinde özel yönler yansıma ile tabir edilen spotlar oluştururlar. Kısaca bir elektromanyetik dalganın yani X ışınının, düzenli yerleştirilmiş saçıltıcılardan sekmesinin sonucuna X ışını kırınımı denir. 1665 yılında prensipte düzenli saçıltıcılara çarpan her dalga ilk kez Francesco Maria Grimaldi tarafından bir kırınım oluşturulabileceği söylenmiştir. Saçıltıcılarla bunlara çarpan dalgaların aynı büyüklükte olduğu takdirde kayda değer bir kırınım oluşmaktadır. Örnek olarak 17. yüzyılın sonlarında James Gregory tarafından ilk kez güneş ışınlarının kuş tüyleri tarafından kırınıma uğradığını dile getirmiştir. David Rittenhouse tarafından 1787 ‘ de ve Joseph von Fraunhofer tarafından 1821′ de görünen dalga boyları için ilk yapay kırınım ağları imal edilmiştir. Kristallerde görünümü gözlemlemek için görünür ışıkların dalga boyları çok uzundur. Kristallerin kafes yapımındaki yüzeyler arasındaki mesafe kesin olarak X ışını kırınımı deneyleri sonrasında bilinmeye başlanmıştır. 1912 yılında Max von Laue ve Paul Peter Ewald’ın Münih’ te English Garden da bir sohbetleri üzerine kristallerin bir kırınım ağı olarak kullanılabileceği ortaya çıkmıştır. Görünür ışığın dalga boyunun ezanöterlerin arasındaki mesafenin çok büyük olmasından dolayı Ewald’ ın kristal rezanatör fikri modeli test edilememiştir. Bunun üzerine Von Laue daha küçük dalga boyuna ihtiyaç olduğunu fark ederek birim hücre ile X ışınlarının kristallerinin karşılaştırılabilir dalga boyuna sahip olabileceği fikrini ileri sürdü. Von Laue kırınım desenini bir X ışını demetini bakır sülfat kristaline gönderip bir fotoğrafik levhaya kaydetme işlemini Walter Friedrich ve asistanı Paul Knipping adında iki teknisyenle çalışarak başardı. 1914 yılında Von Laue kristaldeki birim hücreler arası mesafelerinin büyüklük ve yönelmesi arasındaki ilişkiyi saçılma açılarıyla açıklayarak bir kanun geliştirdi. Bu sayede de Nobel Fizik Ödülü almaya hak kazandı.

X ışını kristalografisi

X Işını Kristalografisinin Estetik ve Kültürel Önemi

X ışını Analizinin Gelişimi eseri Sir William Lawrence Bragg’ ın bilimsel otobiyografisi olarak bilinmektedir. Bu eserde Bragg, kristalografinin tekno estetik yapılarının ev eşyaları ve tekstille özellikle ilişkili olması kadınların işini kolaylaştırdığını ifade etmiştir. Bragg, perdeler, mozikler, duvar kağıtları ve güller ile kristal oluşumlarının karşılaştırmasıyla bilinmektedir. Çin kumu, insülin ve hemoglobinin X ışını kristalografisine dayanan baskı ve dantel tasarlamayı hedefleyen tekstil üreticileri ile iş birliği yapmaları sonucu kurulan Festival Patern Grubu’ na 1951 yılında Britanya Festivali ev sahipliği yapmıştır. O zamanlar bilim insanlarının başında projenin yöneticisi konumundaki Cambridge de bulunan Cavendish Laboratuvarı’ nda müdür yardımcılığı yapmakta olan Helen Megaw bulunuyordu. Kristal diyagramlarından esinlenerek onların tasarımdaki potansiyelini gören şahsiyet olarak Helen Megaw bilinmekteydi. Megaw, Londra’ daki Hoş Geldiniz Koleksiyonu’ nda festival desen grubu olan Atomlardan Desenlere adındaki gösterisini 2008 yılında sunmuştur.

X Işını Kristalografisinin Kimya ve Malzeme Bilimine Katkıları

Kimya ve malzeme bilimi

X ışını kristalografisiyle kimyasal bağlar ve kovalent olmayan etkleşimler daha iyi anlaşılmaktadır. 1928 yılında Kathleen Lonsdale’ nin hekzametilbenzenin yapısına ilişkin çalışma yapması alifatik C- C bağlarıyla aromatik C- C bağları arasındaki farkın ortaya çıkmasını sağlamıştır. Kimyasal bağlar arasında rezonans olduğu fikrine buluş sayesinde ulaşılmıştır. Ayrıca kimya biliminin gelişmesine de çok önemli katkıları vardır. Kathleen Lonsdale’ ni ulaştığı sonuçlardan önce William Henry Bragg moleküler yer değiştirmenin erken bir yeri olan ve başka moleküllere dayanan 1921 yılında yayınladığı naftalin ve antrasenin model çalışmasında tahmin edilmiştir. Malzeme bilimlerindetek kristal metodu kullanılarak full erenes gibi pek çok karmaşık organometalik ve inorganik sistem analiz edilmiştir. Kristalin boyutları ve düzensizliği tek kristali etkileyen temel faktörlerdendir. Küçük moleküllü kristallerde bu faktörleri geliştirmek için kullanılan tekniğin adı da rekristalizasyondur. Cambridge Yapısal Veri Tabanı’nda beş yüz binden fazla yapılar içermektedir ve bu yapıların yüzde doksan dokuzundan çoğu X ışını kristalografisi ile belirlenmiştir.

Mineraloji ve Metalurji

Metallerde ve minerallerde atomların dizilişini belirlemek için kullanılan en temel metot 1920 yılından bu güne X ışını kırınımıdır. Menzer tarafından 1924 yılında tespit edilen gametin yapısıyla X ışını kristalografisini mineralojide uygulaması başlamıştır. 1920 yılında sistematik bir X ışını kristalografik çalışmasına silikatlar girmeyi başarmıştır. Bu çalışma da silikat kristallerinin atomik dizilişlerişnde belirgin değişiklikler göstermeleri Si/ O oranının değişmesinden dolayı olduğu anlaşılmıştır. Machatschki mineralleri genellemesi bu anlayışın alüminyumun silikattaki silisyum atomlarının yerini almalarıdır. 1920′ lerin ortalarında X ışını kristalografisinin metalurjideki ilk uygulamaları gerçekleşmiştir. Linus Pauling’ in Mg2 Sn alaşımı onu karışık iyonik kristellerin yapıları ve kararlılığı teorisine ulaşması en kayda değer çalışmadır. 17 Ekim 2012 yışında Curiosity rover uzay arası, Rocknest’ te Mars toprağının ilk X ışını analizi Mars gezegeninin üzerinde gerçekleşmiştir. Feldspar, olvin, piroksenez gibi birçok mineralin varlığı aracın CheMin analizinde ortaya çıkmıştır. Hawaii volkanlarından çıkan havayla temas etmiş balzamik toprak numunedeki Mars toprağına benzetilmiştir.

Biyolojik Makromoleküler Kristalografi

Miyoglobin yapısı için Ribbon diyagramı

Biyolojik makromoleküler kristalografi; 1962 yılında Max Perutz ile Sir Jon Cowdery Kendrex’ in Nobel Kimya Ödülü’ nü paylaştı. Daha sonra 1950′ li yılların sonunda ispermeçet balinası miyoglobininin yapısını buldukları çalışmalarıyla proteinlerin kristal yapıları çözülmeye başlandı. Elde ettikleri bu başarıdan sonra yetmiş üç bin yedi yüz altmış birden fazla diğer biyolojik moleküllerinin ve nükleit asitler X ışını kristal yapısı tespit edilmiştir. Karşılaştırma olarak: En yeni ve iddialı metot yapı analizi bakımında dokuz bin beş yüz altmış bir yapıyı çözen nükleer manyetik rezonans – NMR de denilebilir – spektroskopisidir. Kristalografi rastgele büyüklükteki moleküllerin yapısını çözebilmesine rağmen çözelti halli NMR daha küçük moleküllerle sınırlıdır. Bilim insanları tarafından farmakolojik bir ilacın hedef proteinle nasıl etkileştiğini anlayabilmek ve ilacın etkisini hangi değişikliklerin arttıracağına karar vermek için rutin olarak X ışını kristalografisi kullanılmaktadır. Bu yüzden kristalleşmeye karşı membrana özgü proteinler hala daha direnmektedirler. Çünkü deterjan ve benzeri çözücülerin içinde çözülerek izole çözelti haline gelebilmeleri gerekmektedir. Bu deterjanlar onu bozarak genellikle kristalizasyonla girişim yapmaktadırlar. Fizyolojik açıdan büyük öneme sahip birçok proteini bu tür membran proteinleri genomun büyük bileşeni olarak iyon kanalları ve reseptörler aralarında bulundurmaktadırlar.

Kristalleştirme

Kristalleşme

Genellikle yüksek düzenlilikteki kristaller sayesinde kristalografi atomların karmaşık bir dizisinin yapısını çözer. Bazen düzenli, saf kristaller mineral, metal ya da başka makroskopik materyal örnekleri gibi sentetik veya doğal malzemelerden elde edilmektedir. Kaliteli kristaller üretilirken küçük molekül ve makromoleküler kristalografi kırınımı normalde kullanılan tekbnikler dışında farklı teknikler kullanılarak uygulanmaktadır. Küçük moleküllerin birkaç derecelik konformasyon serbestliğine sahip olmaları nedeniyle yeniden kristalleştirme ve kimyasal buhar tortulaşması gibi farklı yöntemlerle kristalleştirilebilirler. Ancak makromoleküller de ise çok sayıda serbestlik derecesine sahip olmalarından dolayı kristalleştirmeleri sabit bir yapıda olacak şekilde sürdürülmektedir. Çok büyük RNA molekülleri ve proteinlerin kristalleşmeleri için üçüncül yapıları açılmalıdır. Moleküllerin içinde katlanmış halde bulundukları solüsyon koşulları ile sınırlı olmalarının sonucu kristalleşme çeşitliliğidir. Kristalleşmeyi bozan veya bozan farklı faktörler bulunmaktadır. Bunlardan bazıları;

  • Genellikle büyüyen kristaller sabit bir ısıda tutulur ve kristalleşmelerinin bozulmaması için vibrasyon veya şoklardan korunurlar.
  • Kristalleşme solüsyonlarının ya da moleküllerin saf olmamasıdır.Genellikle büyüyen kristaller sabit bir ısıda tutulur ve kristalleşmelerinin bozulmaması için vibrasyon veya şoklardan korunurlar.
  • Kristalleşme ihtimalini moleküldeki konformasyon esnekliğinin düzensizliğe bağlı olmasıyla açıklanabilir.
  • İkizlenme tarafından da bozulabilir. Bir birim gözesinin eşit bir biçimde çoklu yönlere yoğunlaşmasıyla ikizlenme oluşmaktadır. Fakat hesaplama yöntemlerinin son zamanlarda ilerlemesiyle ikizlenmiş kristallerin yapıları çözülebilmektedir.

Kristalleşmede başarıslığa uğrayan bir kristalografi uygulayanı molekülün hafifçe değiştirilmiş başka bir sürümüyle yeniden denenebilmektedir. Çünkü moleküler özelliklerde kristalleşmenin davranışının büyük farklılıklara yol açılmak istenmesi küçük değişikliklerle olabilmektedir.

Türkiye’de Kristalografi

Türkiye’ de Kristalografi

1960′ lı yıllara kadar kristalografi Türkiye’ de kendini pek gösterememiştir. Üniversitelerde mineraloji ve jeoloji alanında eğitim gören öğrencilere genelde kristalin malzemelerin mikroskopik açıdan incelenebilmesi kristal optik ve kristal geometri ile ilgili verilen eğitimler sayesinde sağlanmıştır. Yapısı bilinmeyen örneklerin yapısı; Maden Tetkik ve Arama – kısaca MTA- ile üniversitelerin bazı bölümlerinin kısıtlı sayıda X ışını toz kırınım metreleri kullanılarak tanımlanmaya çalışılmıştır. Hem kristal simetri hem de kristallerin fizikel ve kimyasal özellikleri kimya ve fizik bölümlerinde verilen dersler daha ayrıntılı yapı analizlerine geçiş sağlanmasına yardımcı olmuştur. Ankara Üniversitesi’ nden Ali Fuat Cesur 1960′ lı yılların ortalarına doğru bir X ışını laboratuvarı kurmuştur ve bu laboratuvar tek kristal fotoğrafik veri toplama tekniğinin kullanıldığı bir laboratuvar olmuştur. Hacettepe Üniversitesi’ nde 1970 yılında Dinçer Ülker tarafından yapısal araştırmalar için yeni bir X ışını laboratuvarı kurulmuştur. 5kW güce sahip X ışını jeneratörlü ve çift tüplü GE- SPG2 Spektrogonyometre ilk deneysel donanım olmuştur. Bu sistemde orantılı sintilasyon aracı kullanılarak toz kırınımı deneyleri ile ilgili veriler kaydedilmekteydi. Ayrıca yine bu sistemde Wiessenberg ve Buerger kameraları ile tek kristal kırınım deneyleri fotoğrafik olarak kaydedilmekteydi. 1992 yılında 4 çemberli kırınım metre ile gelişmiş veri toplama imkanına kavuşulmuştur. Böylece uluslararası dergilerde başarı ile sonuçlandırılan çok sayıda analiz sonuçları basılmıştır. Hacettepe Üniversitesi dışında On Dokuz Mayıs, Dokuz Eylül, Atatürk ve Erciyes Üniversiteleri de kristalografi konusunda yeni gelişmelere imzalarını atmışlardır. Ülkemizin tanınırlığını ülkemizin birçok üniversitesinde X ışını toz kırınım ve tek kristal analizlerinin modern sistemler kurularak yapılması arttırmıştır. Malzeme bilimi konusunda araştırmalar yapan bilim insanları X ışını laboratuvarlarında değişik X ışını tekniklerini bazı üniversitelerde ve araştırma merkezlerinde kullanmaktadırlar. Ayrıca ülkemizde 4. Ulusal Kristalografi Toplantısı DÜBTAM, Türk Kristalografi Derneği, Diyarbakır Valiliği ve Bruker Firması’ nın katkılarıyla kongre merkezinde gerçekleşti. UNESCO ve Birleşmiş Milletler tarafından 2014 yılı Dünya Kristalografi yılı olarak ilan edildi. Bu kapsamda yılın anlam ve önemini vurgulayan çalışmalar Dünya’ nın her ülkesinde gerçekleşti.

E-posta hesabınız yayımlanmayacak.

Negibi sosyal içerik paylaşım sitesidir. Tüm hakları saklıdır izinsiz kullanılamaz ya da kopyalanamaz.