결정학
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1. 개요
結晶學, Crystallography
결정(Crystal)과 격자(Lattice)의 공간적 대칭성과 구조에 대한 학문. 실제 결정물질의 물성을 자세히 다루지는 않는다. 그러한 분야는 재료공학, 고체물리학, 무기화학에서 결정학을 바탕으로 연구한다. SEM, TEM 등의 현미경을 연구하고 개발하거나 물질을 분석하는 사람들이 공부하는 학문이다. 학부과정에서는 물리학과의 고체물리학, 화학과의 무기화학등에서 간단하게 다루며, 재료공학과에서는 (보통 X선회절분석과 함께) 하나의 과목으로 조금 깊게 가르치는 편이다. 사용하는 학문분야에 따라서 같은 개념이 완전히 다른 용어체계로 쓰여지기도 한다.
별로 익숙하지 않은 학문이라 생각하는 사람도 많겠지만 (실제로도 물리학에서 굉장히 마이너한 분야이긴 하다), 실제로는 노벨상과 아주 깊은 관련이 있는 학문이다. X선 결정학에 대한 연구로 노벨 물리학상을 수상한 학자들은 막스 폰 라우에, 윌리엄 브래그, 카를 시그반 등이 있고, DNA이중나선 구조 규명 등에도 결정적인 공헌을 한 분야이다. 2000년 이후 수여된 노벨 화학상 중 3개가 X-선 단백질 결정학 분야에서 배출되었으며, 준결정의 발견도 끝끝내 다니엘 셰흐트만에게 노벨상을 안겨줬고 노벨 생리학 부분에서도 X선 결정학이 기여한 바가 있다.
2. 이론체계
2.1. 결정
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'''결정'''(結晶, crystal)이란, 입자의 배열이 일정한 패턴을 갖고 반복되는 물질이다. 물이 영하에서 얼음이 되면 물 분자가 육각형 구조를 이루며 밀집하게 되는데, 이와 같은 규칙성을 띠는 물질을 통틀어 결정이라 한다.[2]
이온 결합 물질이 결정이라 잘 알려져 있으며, 그 밖에도 다양한 물질들이 결정을 이루고 있다.
2.2. 대칭조작
접힘 (Folding) : 1,2,3,4,6 fold
거울상 (Mirror) : m
반전 (Inversion) : 1 bar
스크류(Screw)
글라이드 (Glide)
2.3. 점군
점군 (point group)은 점에 대해 대칭 연산 (symmetry operation)을 취했을 때 하나 이상의 점이 제자리를 유지하는 연산들의 집합이다. 3차원에서는 이러한 점군이 32가지가 있다.
2.4. 공간군
2.5. 공간군과 물성
고체의 관련된 물리량은 텐서로 나타낼 수 있는데, 이 텐서는 공간축을 바탕으로 나타내며, 공간군이 가지고 있는 기하학적 대칭성을 물리량 역시 그대로 가지고 있다.
2.6. 군론과의 관계
2.7. 회절 실험 (X선/중성자/전자)
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2.8. 역격자
Reciprocal lattice
2.9. 준결정
보통 결정은 규칙적으로 배열된다. 그런데 비결정 수준은 아니지만, 불규칙적으로, 그러나 규칙적으로 배열된 결정이 있다. 뭔소린고 하니, 펜로즈 타일이라고 그냥 타일처럼 평면 전체를 매울 순 있지만 그 패턴이 불규칙적인 타일이 있다. 그리고 펜로즈 타일의 모양으로 배열된 결정이 있는데, 그런 것을 보통 준결정이라 부른다.
2011년 "댄 셰흐트만"의 노벨 화학상이 이 준결정을 발견한 공로였다. 그러나 결국 노벨상까지 받게 되는 대단한 업적이였으나, 학계에서 인정받기까지 큰 고난을 겪었다.
- 노벨상을 2회나 수상한 라이너스 폴링의 "준결정은 없고 준과학자만 있다" 라는 모욕을 받았다.
- 소속 연구소 소장은 결정학 입문서를 쥐여주면서 다시 공부하라는 모욕을 줬다.
- 사이비로 매도당하며 연구실에서 쫓겨났다.
2.10. 시간 결정
3차원 구조에서의 결정을 4차원적으로 확대한 것이다. 자세한 내용은 시간 결정 문서를 참고.
3. 응용
3.1. 구조생물학
3차원 단백질의 구조를 결정하는 데 있어서 95% 이상이 X-선 결정학의 영향으로 이루어졌다. 특히 2010년대에는 X-선 고압력 결정학을 이용한 고압 생물학이 대두되고 있다. 참조바람