La cristalografía de rayos X es un medio extremadamente preciso, pero también difícil y costoso, de obtener imágenes de la estructura exacta de una molécula o macromolécula determinada en una red cristalina. Debido a que un conjunto diverso de materiales produce cristales, que incluyen sales, metales, minerales, semiconductores y varias moléculas inorgánicas, orgánicas y biológicas, la cristalografía de rayos X es esencial para muchos campos científicos. Un cristal es cualquier disposición que se repite regularmente de células unitarias que varían en tamaño desde menos de 100 átomos (cristalografía de molécula pequeña) hasta decenas de miles (cristalografía macromolecular).
La cristalografía de rayos X es famosa por ser la herramienta que se utilizó por primera vez para descubrir la estructura del ADN, pero también se utilizó para determinar la estructura del diamante, la sal de mesa, la penicilina, numerosas proteínas y virus completos. En total, se han descrito más de 400,000 estructuras mediante cristalografía de rayos X. Estos se pueden encontrar en Cambridge Structure Database.
Para analizar una muestra mediante cristalografía de rayos X, primero se debe obtener un cristal de alta pureza del material a estudiar con una estructura muy regular. Esta suele ser la parte más difícil, ya que numerosos cristales tienen defectos de escala nanométrica que dificultan la cristalografía de rayos X.
A continuación, la muestra se somete a un intenso haz de rayos X de una longitud de onda uniforme. Estos rayos X producen un patrón de difracción a medida que se reflejan en la muestra. Este patrón de difracción es algo similar a lo que se observa cuando se arrojan varias piedras a un estanque, donde las ondas se cruzan son picos que forman el patrón de difracción.
Al girar lentamente el cristal, golpearlo con rayos X y registrar meticulosamente los patrones de difracción en cada orientación, se puede derivar un mapa de densidad de electrones. Este mapa de densidad de electrones se utiliza luego para formular una hipótesis sobre la estructura atómica a la que corresponde. Luego, los patrones de difracción se analizan a la luz de la estructura hipotetizada y, si parece plausible que la estructura dada produciría el patrón de difracción observado, se extrae una conclusión. Luego, el resultado se carga en bases de datos centrales del tipo mencionado anteriormente.