晶莹剔透

2014年，我们的集体注意力一定会集中在纪念第一次世界大战的爆发上。这场“终结所有战争的战争”无疑对世界历史产生了深远的影响。但是，20世纪的第二个十年也因一系列的发现而闻名，这些发现为一门全新的科学学科——结晶学，即通过晶体研究原子和分子结构的学科——铺平了道路。它改变了化学和材料科学，并为现代分子生物学铺平了道路，为了庆祝，联合国宣布2014年为世界化学年国际结晶学年．

可以说，也许简单地说，结晶学是由威廉。亨利。而且威廉•劳伦斯(被称为劳伦斯)布拉格，在英国利兹大学和剑桥大学。然而，布拉格夫妇并没有打算创立一门新的学科，甚至也没有打算研究物质的原子特性。他们更感兴趣的是解决一个困扰了世界上最聪明的物理学家近20年的问题。x射线是由威廉伦琴但他们的名字(未知的X)揭示了他们有争议的本质。它们是粒子还是波?

1912年，另一位德国物理学家，马克斯·冯·劳伊，首次证明了这些x射线在照射晶体时发生散射(或衍射)，并在薄膜上产生了图案，为波动理论提供了可信度。布拉格夫妇在一封同事写给威廉的信中听说了冯·劳厄的工作佬司Vegard他是挪威物理学家。威廉起初相信x射线是由粒子组成的，并和他的儿子一起出发去证明这一点。然而，劳伦斯开始相信它们是波浪，并随后说服了他的父亲。

劳伦斯·布拉格意识到，这种模式可以用x射线从晶体中的原子平面反射并相互干扰的理论来解释。“当然，我们现在明白，电磁辐射，包括x射线，可以被认为是粒子和波，因此，布拉格都是对的，”解释说迈克格雷泽他是牛津大学物理学名誉教授，也是结晶学早期历史方面的专家。

劳伦斯的法律

劳伦斯·布拉格的第一个研究成果被提交给了剑桥哲学学会并于1913年初在学会会刊上发表了题为《晶体对短电磁波的衍射》的论文。22岁的劳伦斯刚从剑桥大学毕业，他是第一个了解劳埃最初使用的x射线是“白色的”——也就是说，有多个波长——以及这是如何影响斑点模式的人。

布拉格的论文包含了所有物理定律中最广泛认可的定律之一的第一个公式。布拉格定律，正如几代学生所学的那样，与晶体中原子平面之间的间距有关(d)，即入射x射线的波长(?)和衍射角(?)通过简单的方程n?= 2d罪?．因此，如果你知道波长并能测量衍射角，你就可以确定平面间距，从而通过一些复杂的数学计算，确定有关晶格的几何形状。

布拉格从钻石中得到的衍射图样首次解释了它的硬度和闪光

在此之后，劳伦斯和他的父亲一起对x射线点进行了精确测量。他们使用的设备以21世纪的眼光来看非常简单。它由威廉设计，并由他的乐器制造商CH Jenkinson在利兹的一个车间里建造，它有一个几乎是Heath-Robinson的外观(见布拉格光谱仪)．格雷泽说:“布拉格夫妇称它为电离光谱仪，它能使一束单波长x射线穿过可旋转的晶体进入电离室，在那里衍射波被检测到。”“这是我们今天使用的所有衍射设备的祖先。“使用这种设备解决的第一个结构是氯化钠——普通食盐——这也在1913年发表。

布拉格夫妇继续一起研究简单物质的结构，直到战争爆发，劳伦斯被派往法国。他们研究的第一批结构之一是从剑桥矿物学收藏中借来的钻石样本。作为布拉格夫妇的同名(并被认为是远亲)，广播员梅尔文·布拉格在一篇文章中解释道再见，庆祝百年校庆“布拉格夫妇从钻石中获得的衍射图案首次解释了它的硬度和闪光。”

Röntgen获得了有史以来第一个奖项1901年获得诺贝尔物理学奖发现x射线;冯·劳埃也获得了同样的奖项1914年奖布拉格的诺贝尔奖紧随其后年之后．他们的获奖理由仅仅是“使用x射线来确定晶体结构”。25岁的劳伦斯·布拉格(Lawrence Bragg)在战壕中服役时收到了获奖的消息，此前不久，他的哥哥罗伯特·布拉格(Robert Bragg)在加里波利阵亡。他仍然是有史以来最年轻的诺贝尔奖获得者。

一个成熟的领域

这些奖项只是众多奖项中的第一个。国际结晶学联合会认为诺贝尔奖的名单表彰“与结晶学直接相关或涉及结晶学应用的成就”。现在有29个，最近没有晶体学相关的诺贝尔奖是2008年。即使是2013年化学奖，授予马丁·卡普拉斯，迈克尔·莱维特和阿里耶·沃谢尔他们的计算化学学科如果没有通过晶体学获得的结构知识是不可能的。

已经计划了许多活动来庆祝布拉格夫妇及其同事的工作，以及国际年。在皇家学会的帮助下，格雷泽策划并举办了一个广泛的展览，“两个布拉格”，与2013年8月在沃里克举行的第28届欧洲晶体学会议同时举行;英国政府首席科学顾问马克·沃尔波特(Mark Walport)主持了开幕式，布拉格家族的几位后人也出席了开幕式。“我们能够展示的展品包括许多原始的分子模型;诺贝尔奖章复制品;拉尔斯·维加德给威廉·布拉格的信引发了他的思考;以及已知的布拉格夫妇使用过的6个电离光谱仪中的4个，”格雷泽说。“另外两个中的一个似乎在加拿大失踪了。”

布拉格夫妇所研究的分子和结构是已知的最简单的，这并不奇怪:他们的主要目的是发展实验技术和相关的数学。一旦确定，其他科学家，许多与布拉格一起工作，开始使用该技术来确定稍微复杂一些的分子的结构。威廉·布拉格和劳伦斯·布拉格都是支持有才华的女科学家的先驱。凯瑟琳·朗斯代尔她可能是与老布拉格一起工作过的女性中最著名的学生，后来成为了同事。

化学晶体学家说:“在朗斯代尔1929年发表六甲基苯的分子结构之前，没有人能证明苯环是平的。朱迪思•霍华德英国杜伦大学教授。朗斯代尔研究的是苯衍生物，而不是苯本身，因为苯在室温下是液体，而且它的环上只有氢取代基:分子的这两种特征使其晶体学分析复杂化。澳门万博公司

第二次世界大战前的几年见证了该领域的许多进步，但有两项尤为突出。1934年在剑桥，约翰·德斯蒙德·伯纳尔他的学生多萝西·克劳福特，后来是霍奇金，首次从蛋白质晶体中获得x射线衍射图样。一年后，在美国麻省理工学院，Lindo帕特森开发了一个函数，极大地简化了结构确定所涉及的数学。伯纳尔和帕特森都曾与威廉·布拉格共事皇家学会他们都被认为是从未获得诺贝尔奖的最杰出的科学家之一。

但霍华德回忆说，在20世纪60年代及以后，即使是相对较小的分子的结构也很难解决。她的第一篇论文发表于1966年，当时她还是布里斯托大学的一名本科生，描述了一些金属羰基簇的合成和结构。她回忆道:“当我开始研究晶体学时，数据仍然是通过照片收集的。”“在我早期的职业生涯中，最大的突破之一是扫描和数字化这些图像成为可能。”

霍华德还记得用最早的计算机解决结构问题时的挫败感，以及所花费的时间。她说:“当我还是博士生的时候，一篇典型的论文可能包含三个小分子的结构。”“现在一个上午就能解决这么多问题。现在，一个结构可以在几个小时内解决，许多其他类型的实验也成为可能。物理化学家现在可以通过在不同条件下重复求解相同的结构，准确地看到材料对温度、压力或光线变化的反应。

增加强度

任何x射线衍射实验都需要一束x射线，而这束射线的功率和精度会影响实验的类型。目前使用的最强大的x射线束来自同步加速器辐射源;它们是在20世纪50年代被发现的，但几十年来都没有被结晶学家用作工具。伊丽莎白Shotton英国同步加速器光源的工业联络经理Diamond解释说:“当粒子物理学家第一次观察到带电粒子在径向加速时发射电磁辐射时，他们自然关注的事实是，对于高能物理实验来说，这种能量损失是一种麻烦;他们只是逐渐意识到它可以被用于其他科学应用。”

第一个专用同步加速器主要是作为有用的辐射源在20世纪80年代建造的。英国第一个这样的同步加速器，TheSRS位于柴郡的达斯伯里，于1980年开业，28年后关闭，次年，其继任者Diamond在牛津郡的哈维尔开业。

今天的许多同步加速器从空中看就像巨大的甜甜圈;钻石的戒指直径超过半公里。然而，同步加速器的“甜甜圈”并不完全是圆形的:它是多边形的，每当粒子束(几乎总是电子)弯曲时，就会产生电磁辐射。强烈的辐射，从红外线到高能或“硬”x射线，被设计为优化实验所需的特性的光束线捕获。

肖顿说:“你可以把同步加速器束线想象成一个实验室，每个实验室都产生功率和波长略有不同的同步辐射束，并为科学家提供不同的实验技术。”Diamond目前是世界上第五大同步加速器，有23条运行中的束流线，另有10条正在建设中。目前约有3000名科学家使用该设施，目前有60多个工业客户开展研发工作，这些工作需要获得世界级的仪器仪表和科学专业知识。

桑迪布莱克来自英国诺丁汉大学的结晶学家，正在使用小分子单晶衍射高强度硬x射线束流线和粉末衍射束流线来确定金属有机框架(MOFs)的结构和研究其性质:金属有机框架是一种能够储存气体的新型材料。“一些MOFs非常多孔，孔隙结构决定了它们储存氢气和CO等温室气体的效率。₂所以₂．x射线晶体学是唯一可以确定这一点的技术，”布莱克说。

粉末衍射是确定材料结构的主要技术，这些材料不一定会形成大的单晶。为这项技术优化了同步加速器束线，其中高亮度x射线束与微晶样品相互作用。同步加速器粉末衍射能够以极高的精度确定结构，配备先进探测器的光束线可以非常快地收集粉末衍射图案。

赵唐他是致力于钻石公司高分辨率粉末衍射光束线的主要光束线科学家。他说:“我们可以对机器人进行编程，从200个粉末样品中收集衍射数据，用于高通量实验(每个图案几秒钟)，还可以选择使用非接触设备进行低温和高温测量。”“我们还可以使用低温设备和熔炉在接近绝对零度到2000K的温度范围内进行实验。”

在x射线

电子、中子和更奇特的基本粒子也遵循布拉格定律，它们的波长由它们的传播速度决定，所以它们也可以用于衍射。伊西斯它与Diamond位于哈维尔的同一地点，通过向钨靶发射质子来产生快速移动的中子束，用于衍射。这些中子的波长范围从0.05到14Å，这与晶体学中使用的x射线的波长相似。

中子衍射可以用来精确定位氢分子与MOFs结合的确切位置

大卫希望

大卫希望他是ISIS的主要研究员，也是ISIS的现任主席英国结晶学协会．“中子衍射和x射线衍射最根本的区别在于x射线与电子相互作用，而中子与原子核相互作用。因此，中子衍射与x射线衍射不同，它几乎可以像铅等重金属原子一样清楚地看到氢原子。”“如果凯瑟琳·朗斯代尔看到她的x射线实验如何从扩散中子衍射实验发展到了解苯等材料中的分子包装，她一定会很着迷。”

苯的结构在1958年第一次用x射线衍射解决了，这种分子继续引起晶体学家的兴趣:迄今为止最精确的苯结构是由霍华德领导的一个小组使用x射线和中子衍射确定的，并于2002年发表。在x射线和中子衍射技术之间还有很多协同作用的例子。Keen说:“Sandy Blake与中子衍射小组合作，因为这种技术可以用来精确定位与MOFs结合的氢分子的确切位置。”使用x射线或中子衍射获得的具有3D结构的“小”(和中型)分子的总数，并存储在剑桥结构数据库现在已经超过50万了。

虽然已有百年历史，结晶学仍然是一门相对年轻的学科，但它已经从根本上改变了许多其他科学学科，并通过它们改变了我们今天居住的世界。但精明的读者无疑会注意到，这篇文章中缺少了一些东西。当然，这就是大分子晶体学:从DNA的结构到复杂分子机器的结构，结构生物学的历史值得拥有自己的特色——这将在今年晚些时候开始。

克莱尔·桑瑟姆，英国伦敦科普作家