科学家发明了一个强大的新工具，为了研究这些重复的玩意儿
科学家发明了一个强大的新工具，为了研究这些重复的玩意儿如何解析晶体的结构我们研究晶体就是为了更好的为我们服务，当然不同种类的晶体用途也不一样，为了寻找具有特定用途的晶体，我们就需要研究每种晶体的性质。我们都知道，大部分物质都是由原子构成的，晶体就是原子按照一定的规则有序排列而成。打个比方，我们在学生时代都会站队形，每一个人都相当于是一个原子，老师要求我们前后左右对齐有序排列，那么看起来就是整整齐齐的，这就是一块漂亮的晶体；如果有些同学站得完全不规律，那就从整体看起来不规则了，这就不是一块晶体了。每块晶体都有一个最小的重复单元，比如这里的一个人，就是一个最小的重复单元。晶体的用途研究我们的晶体有什么用呢？因为它给我们的生活带来了很多便利。晶体的作用在我们的生活中是处处可见的。比如我们煤气灶上的打火机，当我们按一下大火按钮，打火机上的压电陶瓷就产生比较高的电压，形成活火花而点燃煤气。其中的压电陶瓷就是晶体。我们的液晶电视，中的液晶也是一种晶体。早
钻石（图片来源：ilovezuan.com）
什么是晶体
看到漂亮的钻石，我相信每个人都有拥有它的想法，特别是男同胞们，在对自己心爱的女子求婚的时候，特别希望有一颗大大的钻石，戴在对方的手上，以表示自己的爱。其实钻石就是晶体。晶体在我们生活中随处可见，水凝固后形成的冰，一粒食用盐，甚至是我们炒菜用的锅（金属），这些都是晶体。
那怎样的物质才叫做晶体呢？
我们都知道，大部分物质都是由原子构成的，晶体就是原子按照一定的规则有序排列而成。打个比方，我们在学生时代都会站队形，每一个人都相当于是一个原子，老师要求我们前后左右对齐有序排列，那么看起来就是整整齐齐的，这就是一块漂亮的晶体；如果有些同学站得完全不规律，那就从整体看起来不规则了，这就不是一块晶体了。每块晶体都有一个最小的重复单元，比如这里的一个人，就是一个最小的重复单元。
晶体的用途
研究我们的晶体有什么用呢？因为它给我们的生活带来了很多便利。晶体的作用在我们的生活中是处处可见的。比如我们煤气灶上的打火机，当我们按一下大火按钮，打火机上的压电陶瓷就产生比较高的电压，形成活火花而点燃煤气。其中的压电陶瓷就是晶体。我们的液晶电视，中的液晶也是一种晶体。早在中国古代，人们就结晶糖和盐。
我们研究晶体就是为了更好的为我们服务，当然不同种类的晶体用途也不一样，为了寻找具有特定用途的晶体，我们就需要研究每种晶体的性质。
如何解析晶体的结构
要回答上述问题，我们首先得感谢伦琴先生，他发现的X射线能够帮助我们回答这个问题。要知道，原子是很小的，我们用肉眼是无法看到的，但是，用X射线却能“看到“！
提出用X射线来“看”晶体结构的是劳厄先生，但是第一个用X射线来解析晶体结构的却是布拉格先生。布拉格第一次用X射线衍射解析了金刚石和氯化钠结构，因此布拉格父子获得了1915年的诺贝尔奖，并创立了一个新的学科——X射线晶体结构分析。
当我们的X射线照射到我们的晶体，入射光被散射，出射光光程差等于波长的整数倍时，晶面的散射将加强，此时满足布拉格方程，我们就会看到一个一个比较强的出射光。当然这个只是知道了哪个晶面在哪个角度会有一个峰，而这个峰的强度信息却没有。此外，人们更关心的是晶体电荷密度和性质的关系，那么衍射的峰强和位置是否能够联系起来呢？
答案是肯定的，傅里叶变换给了我们这种可能。
因为晶体是由一个一个原胞周期排列而成，所以电荷密度也是一个周期函数，当我们讲电荷密度做傅里叶变换后，我们既可以得到角度的位置，也可以得到角度的光的强度。因此，只要得到了角度位置和峰强，做个反傅里叶变换就应该得到我们的电荷密度了。
然而在实验上，我们却会丢失相位信息。要知道，相位在图像中是很重要的，可以看看图四的例子，当我们将猫和老虎的相位交换以后，猫也能变成老虎。在我们解晶体结构中相位同样重要。所以现在的首要任务就是如何去解决丢失的相位问题。
布拉格解析的金刚石晶体结构（图片来源：oup.com）
X射线衍射图（图片来源：维基百科）
交换两幅图片的相位
实验中相位的丢失不是没有解决办法的，比如Patterson方法，直接法等等，这些方法在这里就不做过多的阐述。在这里，我们就可以请出我们的主角Shelx了。
Shelx就是实现这些方法的一个程序，有了这个程序，解析晶体就变得容易多了。所以解晶体结构的步骤一般就是，收集衍射数据，把数据交给软件解析，最后得到晶体结构，过程如图：
解金属Ge晶体结构大致过程（图片来源：专业课件）
在没有Shelx之前，虽然有一些程序也是处理晶体结构的程序，但是用起来都十分费劲，解一个结构时常要浪费大把时间。但是George M. Sheldrick把直接法和Patterson方法程序化以后，我们就能更容易地得到晶体的微观结构，知道原子是如何周期排列的。这对我们研究晶体的性质是至关重要的。
举个简单的例子，我们知道石墨和金刚石都是由C元素组成的，同样都是由C元素组成，石墨很软，金刚石很硬，这是由于他们在微观上排布是不一样的，这就导致了他们有不同的性质。因此，知道一个晶体中原子的排列顺序是对理解晶体的性质是很重要的。
石墨和金刚石的结构（图片来源：ckcest.cn）
第一个shelx程序出现在1970年，安装在剑桥大学的ICLTitan 计算机上。从开发以来，得到了广大的科研工作者支持，也为学者们解决了很多的问题。据统计，shelx软件的引用量已经接近7万。当然现在解晶体结构的软件已经不限于shelx了，一大批如Fullprof优秀的软件逐渐出现在科研工作者视线里。
总结
现在的很多研究都是基于晶体的，因此对晶体结构的解析显得就格外重要。现在热门的领域，如锂离子电池、高温超导，首先就是要知道样品的晶体结构，有了晶体结构我们才能进一步研究材料的性质。
虽然Shelx不是第一个解晶体的软件，不过它的出现，加快了科研工作者解晶体结构的速度，目前还是有大批科研工作者在使用。
总的来说，晶体学对我们的生活是很重要的，Shelx程序给科研工作者研究晶体性质带来了很多便利，甚至间接也给我们带来了更美好的生活。
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参考文献
[1] Sheldrick G M SPEK A L EMSLEY P et al. A SHORT HISTORY OF SHELX[J]. CHEM REV 2001 101(6): 1629-1658.
[2] Charles Kittel Introduction to Solid State Physics (seventh edition) John Wiley Sons Inc.
[3] M.M. 乌尔福逊，X射线晶体学导论，科学出版社
[4] 梁敬魁，粉末衍射法测定晶体结构，科学出版社
[5] https://blog.oup.com/2013/08/100th-anniversary-first-crystal-structure-determinations-bragg/
出品 | 科普中国
制作 | 中科院物理所科学传播协会
监制 | 中国科学院计算机网络信息中心
编辑：可乐不加冰、Cloudiiink
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