Die Röntgenkristallographie ist ein äußerst genaues, aber auch schwieriges und teures Mittel, um die genaue Struktur eines bestimmten Moleküls oder Makromoleküls in einem Kristallgitter abzubilden. Da eine Vielzahl von Materialien Kristalle produzieren, darunter Salze, Metalle, Mineralien, Halbleiter und verschiedene anorganische, organische und biologische Moleküle, ist die Röntgenkristallographie für viele wissenschaftliche Gebiete unerlässlich. Ein Kristall ist jede sich regelmäßig wiederholende Anordnung von Elementarzellen, deren Größe von weniger als 100 Atomen – Kleinmolekülkristallographie – bis zu Zehntausenden – Makromolekularkristallographie) reicht.
Die Röntgenkristallographie ist berühmt dafür, dass sie das erste Werkzeug war, um die Struktur der DNA zu entdecken, aber sie wurde auch verwendet, um die Struktur von Diamant, Kochsalz, Penicillin, zahlreichen Proteinen und ganzen Viren zu bestimmen. Insgesamt wurden über 400,000 Strukturen mittels Röntgenkristallographie beschrieben. Diese finden Sie in der Cambridge Structure Database.
Um eine Probe mittels Röntgenkristallographie zu analysieren, muss zunächst ein hochreiner Kristall des zu untersuchenden Materials mit einer sehr regelmäßigen Struktur erhalten werden. Dies ist oft der schwierigste Teil, da zahlreiche Kristalle Defekte im Nanometerbereich aufweisen, die die Röntgenkristallographie erschweren.
Als nächstes wird die Probe einem intensiven Röntgenstrahl einer gleichförmigen Wellenlänge ausgesetzt. Diese Röntgenstrahlen erzeugen ein Beugungsmuster, wenn sie von der Probe reflektiert werden. Dieses Beugungsmuster ähnelt dem, was beobachtet wird, wenn mehrere Steine in einen Teich geworfen werden – wo die Wellen sich kreuzen, sind Spitzen, die das Beugungsmuster bilden.
Durch langsames Rotieren des Kristalls, Bestrahlen mit Röntgenstrahlen und sorgfältiges Aufzeichnen der Beugungsmuster bei jeder Orientierung kann eine Elektronendichtekarte abgeleitet werden. Diese Elektronendichtekarte wird dann verwendet, um eine Hypothese über die Atomstruktur zu formulieren, der sie entspricht. Die Beugungsmuster werden dann im Hinblick auf die hypothetische Struktur analysiert, und wenn es plausibel erscheint, dass die gegebene Struktur das beobachtete Beugungsmuster erzeugen würde, wird eine Schlussfolgerung gezogen. Das Ergebnis wird dann in zentrale Datenbanken der eingangs erwähnten Art hochgeladen.