什么是XRD

XRD（X-ray Diffraction），中文全称为X射线衍射，是指入射的X射线被晶体中的原子散射，由于晶体结构的周期性，这些散射光是相干的，相干散射光互相叠加干涉，在特定的方向出现加强的现象。布拉格使用晶面反射的模型形象的解释了三维晶体对X射线的衍射现象。XRD通过测量材料内原子平面对X射线的衍射来研究和量化材料结晶性质。这种技术对材料中的原子类型、原子相对位置以及晶体有序结构的长度范围非常敏感。

XRD能做什么？

要对一种材料进行准确的描述，通常需要两个方面的信息：材料中含有哪些元素 以及 这些元素是如何排列的。

第一个问题通常由化学分析技术来回答，并给出材料中元素的比例。这就是化学式，通常称为化学计量学。

第二个问题就交给了XRD，如，碳酸钙材料的化学式为 CaCO3，但在自然界中会有两种不同的原子排列方式。一种是正交晶系（orthorhombic），一种是三方晶系（trigonal），前者是文石，后者是方解石。而区分这两种晶体结构的的方法就是XRD。由此我们得出结论：

XRD（X射线衍射）可以用来区分不同的晶体结构。

X射线衍射技术对从亚埃级到几纳米级的长度范围非常敏感，特别适合研究具有数十纳米级到微米范围内有序排列的材料。XRD可以测量材料中存在哪些晶相，并给出各物相的含量，结合适当的分析方法，还可以给出非晶相的含量。

除了上述这些，XRD可以测定晶面之间的间距，给出晶胞参数以及晶粒尺寸，可以研究材料的结构和单晶材料的外延层。

XRD

XRD的应用领域

作为常规的材料表征手段，XRD是为数不多的可以给出材料中原子排列方式的技术之一，因此在各行各业都有广泛的应用。

XRD应用领域图示[1]

1

材料科学与工程

分析材料的晶体结构、相组成、结晶度、晶粒尺寸和微观应力。研究金属、陶瓷、半导体、聚合物和复合材料的物理性质和相变过程。

2

化学和化学工程

研究催化剂的结构和活性相变化。分析化合物的纯度和结晶度，监控化学反应中的相变。

3

地质学和矿物学

鉴定和定量分析矿物成分。研究岩石和矿物的晶体结构、变质作用和地质历史

4

制药学

鉴定药物的多晶型，研究药物的结晶度和晶型稳定性。分析药物的纯度和杂质，研究药物与辅料的相互作用。

5

环境科学

分析土壤和沉积物中的矿物成分。研究污染物的形态和分布，如重金属污染物在土壤中的形态分析。

6

纳米科技

研究纳米材料的晶体结构、粒径和形态。分析纳米材料的物理和化学特性。

7

物理学

研究材料的电子结构、磁性和超导性。分析物质的结构相变和物理特性。

8

考古学和艺术品分析

鉴定古代陶器、金属器物和绘画颜料的材料组成和来源。研究历史文物的制作工艺和保存状况。

9

食品科学

分析食品中的晶体成分，如脂肪结晶和乳糖结晶。研究食品加工过程中晶体结构的变化。

10

电子和光电材料

研究半导体材料的晶体结构、缺陷和掺杂。分析光电材料的晶体相和结构性能关系。

这些领域的研究和应用依赖于XRD技术提供的详细结构信息，有助于理解材料和化学物质的基本性质及其在不同条件下的行为。

前面，我们讨论了XRD能做什么

下面让我们看看XRD的历史

XRD的历史

首先，当然是作为技术基石的X射线，这个名字：Wilhelm Conrad Röntgen

威廉·康拉德·伦琴，

这也是第一届诺贝尔物理学奖的得主。

Wilhelm Conrad Röntgen

1895年发现了X射线。

仅仅一年之后，X射线就开始应用在医疗领域

John Hall Edwards

1896年的1月11日在伯明翰拍摄了第一张X光照片。

对于XRD，必须提到的是：William Lawrence Bragg与父亲William Henry Bragg爵士 和以他们名字命名的布拉格方程，布拉格方程说明了X射线在晶体中衍射的方式和衍射峰的位置，从而揭示了晶体中原子的排列方式。使用布拉格公式，科学家可以通过X射线衍射图来确定晶体中原子的种类、排列和间距等信息，从而深入研究物质的性质与特性。1915年，他们因此获得了诺贝尔奖。

William Henry Bragg

通过 X 射线衍射解决的第一个晶体结构是硫化锌

William Lawrence Bragg

1915年诺贝尔物理学奖有史以来最年轻的获奖者（25岁）。

让我们看看因为有了XRD而获得的突破……

XRD

彼得·德拜（Peter Debye） - 1936年诺贝尔化学奖：德拜因对分子的结构和对X射线衍射的应用研究获奖。他的工作包括开发了对气体分子的结构进行分析的技术，这对于理解气体的物理化学性质至关重要。

詹姆斯·德怀特·沃特森（James D. Watson）和弗朗西斯·克里克（Francis Crick） - 1962年诺贝尔生理学或医学奖：他们因揭示了DNA的双螺旋结构而获奖，这一发现建立在XRD技术提供的关键数据之上，特别是由罗莎琳德·富兰克林（Rosalind Franklin）和莫里斯·威尔金斯（Maurice Wilkins）收集的X射线衍射图像。

多萝西·克劳福特·霍奇金（Dorothy Crowfoot Hodgkin） - 1964年诺贝尔化学奖：霍奇金因利用X射线衍射技术揭示了复杂有机分子的三维结构，包括维生素B12、青霉素和胰岛素的结构而获奖。

曼弗雷德·艾根（Manfred Eigen）、罗纳德·诺雷施（Ronald Norrish）和乔治·波特（George Porter） - 1967年诺贝尔化学奖：他们因对极快化学反应的研究获奖，其中包括使用XRD技术分析化学反应的中间体和产物结构。

亚伦·克卢格（Aaron Klug） - 1982年诺贝尔化学奖：克卢格因他在蛋白质-核酸复合物的结构研究方面的贡献，尤其是利用XRD和电子显微镜结合的方法来研究这些复杂结构。

赫伯特·豪普特曼（Herbert A. Hauptman）和杰罗姆·卡尔（Jerome Karle） - 1985年诺贝尔化学奖：他们因发展了确定小分子晶体结构的直接方法而获奖，这些方法在XRD数据分析中至关重要。

罗伯特·科尔（Robert Curl）、哈罗德·克罗托（Harold Kroto）和理查德·斯莫利（Richard Smalley） - 1996年诺贝尔化学奖：他们因发现富勒烯（一种碳的特殊形态）而获奖。XRD技术在表征富勒烯的结构中发挥了重要作用。

罗杰·科恩伯格（Roger Kornberg） - 2006年诺贝尔化学奖：科恩伯格的研究涉及真核转录的分子基础，他使用了X射线晶体学来解析相关的蛋白质复合物的结构 。

阿达·尤纳特（Ada Yonath）、托马斯·斯泰茨（Thomas Steitz）和维内特·拉马克里斯南（Venkatraman Ramakrishnan） - 2009年诺贝尔化学奖：他们因研究核糖体的结构和功能而获奖。通过XRD技术，他们成功解析了核糖体的高分辨率结构，揭示了蛋白质合成的分子机制。

布莱恩·科比尔卡（Brian Kobilka） - 2012年诺贝尔化学奖：科比尔卡在研究G蛋白偶联受体（GPCRs）的过程中使用了XRD设备。这项工作对于理解细胞信号传导机制至关重要 。

由此，我们不难发现XRD技术是推动现代科学发展的核心技术之一。它在解析分子结构、理解生物过程和开发新材料等方面的应用，使得它在科学研究中具有无可替代的重要性。

理学X射线衍射仪

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理学一如既往的支持每个在科学疆域

勇于探索的科学家们！

[1] Das Rasel, et.al. "CURRENT APPLICATIONS OF X-RAY POWDER DIFFRACTION-A REVIEW." Reviews on Advanced Materials Science 38.2 (2014)

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