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結晶学は、分子および結晶構造と特性の研究に特化した科学分野です。 [ 1 ]結晶学という言葉は、古代ギリシャ語のκρύσταλλος ( krústallos ;「透明な氷、水晶」) とγράφειν ( gráphein ;「書く」)に由来します。 [ 2 ] 2012 年 7 月、国連は結晶学の重要性を認識し、2014 年を国際結晶学年と宣言しました。[ 3 ]
結晶学は幅広い分野であり、X線結晶学などの多くの下位分野自体が重要な科学分野です。結晶学は、結晶構造の基礎から、周期性を持たない結晶や準結晶を含む結晶幾何学の数学までを網羅しています。原子スケールでは、X線回折を用いて実験データを作成し、 X線結晶学のツールで原子の詳細な位置、場合によっては電子密度に変換することができます。より大きなスケールでは、配向イメージングなどの実験ツールを用いて、材料の粒界における相対的な配向を調べます。結晶学は、生物学、化学、物理学の多くの分野、およびこれらの分野における新たな発展において重要な役割を果たしています。[ 4 ]
20 世紀以前は、結晶の研究はゴニオメーターを使用してその幾何学的形状を物理的に測定することに基づいていました。[ 5 ]これは、結晶面同士および理論的な基準軸 (結晶軸) に対する角度を測定し、問題の結晶の対称性を確立することを含みます。各結晶面の 3D 空間における位置は、Wulff ネットやLambert ネットなどの立体投影図上にプロットされます。各面の極がネット上にプロットされます。各点には、そのミラー指数がラベル付けされます。最終的なプロットにより、結晶の対称性を確立することができます。[ 6 ] [ 7 ]
19世紀末の10年間にX線と電子が発見されたことで、原子スケールでの結晶構造の決定が可能になり、結晶学の現代が幕を開けました。最初のX線回折実験は1912年にマックス・フォン・ラウエによって行われ[ 8 ]、電子回折は1927年にダヴィソン・ゲルマー実験[ 9 ]とジョージ・パジェット・トムソンとアレクサンダー・リードによる並行研究[ 10 ]で初めて実現されました。これらは結晶学の2つの主要な分野、X線結晶学と電子回折へと発展しました。20世紀後半には、カスタマイズされた装置と位相アルゴリズムの開発により、結晶構造解析の質と処理能力が大幅に向上しました。今日、結晶学はさまざまな分野における理論的および実験的発見を支える学際的な分野となっています。 [ 11 ]結晶学のための現代の科学機器は、回折計や電子顕微鏡などの実験室サイズの装置から、光インジェクター、シンクロトロン光源、自由電子レーザーなどの専用の大型施設まで多岐にわたる。
結晶学的解析法は、主に何らかのビームを照射した試料の回折パターンを分析することに基づいています。最も一般的に使用されるのはX線ですが、電子線や中性子線も用いられます。結晶学者は、X線回折、中性子回折、電子回折といった用語のように、使用するビームの種類を明示的に示すことがよくあります。これら3種類の放射線は、試料と異なる相互作用をします。
X線や中性子を焦点に合わせるのは難しいが、電子は電荷を持つため焦点を合わせることができ、電子顕微鏡では拡大像を得るために利用されている。透過型電子顕微鏡や走査透過型電子顕微鏡、高分解能電子顕微鏡などの関連技術を用いることで、多くの場合原子分解能の画像を得ることができ、そこから結晶構造情報を得ることができる。また、低エネルギー電子回折、低エネルギー電子顕微鏡、反射高エネルギー電子回折などの他の手法を用いて、表面の結晶構造情報を得ることも可能である。
結晶学は、材料科学者がさまざまな材料を特性評価するために用いる手法です。単結晶では、結晶の自然な形状が原子構造を反映しているため、原子の結晶配列の影響を巨視的に観察しやすい場合が多いです。さらに、物理的特性は結晶欠陥によって制御されることがよくあります。結晶構造の理解は、結晶欠陥を理解するための重要な前提条件です。ほとんどの材料は単結晶として存在せず、多結晶性です（異なる方位を持つ小さな結晶の集合体として存在します）。そのため、多数の結晶を含む試料の回折パターンを取得する粉末回折法は、構造決定において重要な役割を果たします。
結晶学は、他の物理的特性とも関連しています。例えば、粘土中の鉱物は、小さく平らな板状の構造を形成します。粘土は、板状の粒子が板面内で互いに滑り合うことができる一方で、板に垂直な方向には強く結合しているため、容易に変形します。このようなメカニズムは、結晶学的組織測定によって研究することができます。結晶学的研究は、材料の構造とその特性の関係を解明するのに役立ち、特性を最適化した新素材の開発に貢献します。この理解は、冶金学、地質学、材料科学など、さまざまな分野で非常に重要です。電子回折やX線結晶学などの結晶学的技術の進歩は、原子レベルでの材料挙動に関する理解をさらに深めています。
別の例として、鉄は加熱されると、フェライトと呼ばれる体心立方格子（bcc）構造からオーステナイトと呼ばれる面心立方格子（fcc）構造に変化します。[ 15 ] fcc構造はbcc構造とは異なり密に詰まった構造であるため、この変化が起こると鉄の体積は減少します。
結晶学は相の同定に役立ちます。材料を製造または使用する際には、その材料に含まれる化合物や相の種類を知ることが一般的に望ましいです。なぜなら、それらの組成、構造、比率が材料の特性に影響を与えるからです。各相は、原子の固有の配列を持っています。X線回折や中性子回折を用いることで、材料中に存在する構造、ひいては存在する化合物の種類を特定できます。結晶学は、結晶中の原子によって形成される対称パターンを列挙する学問であり、このため群論と関連しています。
X線結晶学は、特にタンパク質やDNAやRNAなどの核酸といった生体高分子の分子構造を決定する主要な方法です。高分子の最初の結晶構造は1958年に解明され、X線解析によって得られたミオグロビン分子の3次元モデルでした。[ 16 ]中性子結晶学は、 X線法で得られた構造を精密化したり、特定の結合を解明したりするためによく使用されます。これらの方法は相補的であると見なされることが多く、X線は電子の位置に敏感で、重原子から最も強く散乱するのに対し、中性子は原子核の位置に敏感で、水素や重水素を含む多くの軽い同位体からも強く散乱します。[ 17 ]電子回折は、膜タンパク質やウイルスキャプシドなど、いくつかのタンパク質構造を決定するために使用されてきました。
X線結晶構造解析（およびその他の技術）によって決定された高分子構造は、タンパク質やその他の生体高分子の構造を自由にアクセスできるリポジトリであるタンパク質データバンク（PDB）に格納されています。 [ 18 ]これらの構造を視覚化するための分子グラフィックスコードが多数利用可能です。
国際結晶学表[ 19 ]は、結晶の書式設定、記述、および試験のための標準表記法を概説した8冊のシリーズです。このシリーズには、X線結晶学、電子回折、および中性子回折による有機構造の決定のための分析方法と数学的手順を扱った書籍が含まれています。国際結晶学表は手順、技術、および記述に重点を置いており、個々の結晶自体の物理的特性は記載されていません。各書籍は約1000ページで、書籍のタイトルは次のとおりです。