روش‌های اساسی جدید در بلورشناسی

اولین تحلیل‌ها در مورد ساختار بلورها، تقریباً 900 سال پیش، توسط براگ به‌عمل‌آمد. کاربرد روش براگ، یعنی پراشاندن پرتوهایX در بلورها، هم‌چنان ادامه دارد. اندازۀ مجمع‌های اتمی که می‌توان با این روش از آن‌ها تصویر تهیه کرد، به تدریج از 1 تا 2 اتم در سال 1913/1292 تا حتی به 〖10〗^6 اتم در حال‌ حاضر رسیده است. پیشرفت‌هایی که اکنون مرحلۀ تحقیق را می‌گذرانند ممکن است باز هم به پیشبرد این روش کمک کنند. اکنون چهار مورد را به اختصار شرح می‌دهیم.
در تحلیل ساختار بلورشناختی، ابتدا نقش پراش حاصل از پرتوX یا نوترون در یک نمونۀ بلور اندازه‌گیری می‌شود، سپس به هر نقطه از نقش پراش فاز صحیح نسبت داده می‌شود و سرانجام با وارون کردن فوریه‌ای نقشی که به طور صحیح فازبندی شده است، تصویر نمونه به دست می‌آید. مرحلۀ دوم، یعنی مرحلۀ فازبندی، معمولا مشکل‌ترین مرحله است. دامنۀ پرتو پراشیده یک عدد مختلط است. درحالی‌که اندازه‌گیری شدت پرتوX همیشه ساده بوده است (و مربع دامنه را به‌دست می‌دهد)، اندازه‌گیری فاز دامنه مشکل است.
در طول سال‌ها روش‌های متعددی برای فازبندی ابداع شده است. ولی عموماً فرض بر این بوده است که فاز و شدت را نمی‌توان در هر نقطه از نقش پراش به طور هم‌زمان اندازه گرفت. ولی اکنون، بنجامین پُست و بعضی همکارانش در انستیتو پلی‌تکنیک نیویورک، حداقل برای موارد ساده، چیزی بسیار شبیه به این کار انجام داده‌اند (پست).
در روش پست سمتیّت بلور چنان تنظیم می‌شود که پرتوX به طور هم‌زمان پراشیده و به دو پرتو بازتاب براگ تبدیل شود. سپس رفتار شدت دو پراش را، ضمن این که سمتیّت بلور را اندکی تغییر می‌دهند، مشاهده می‌کنند. در سال 1977/1356 پست خاطرنشان کرد که نظریۀ دینامیکی پراش بلورها، که برای اولین بار توسط پل‌اوالد در سال 1917/1296 مطرح شد، پیش‌گویی می‌کند که جزئیات رفتار شدت‌های پراش در این وضع بستگی دارد به مجموع فازها در سه نقطه از نقش پراش، یعنی به دو نقطه از نقش پراش و نقطه‌ای که منفی مجموع برداری آن‌هاست. مجموع فازها در این نقاط سه‌گانه کمیت مهمی در فرآیند فازبندی است و ناوردای ساختاری سه فازی نامیده می‌شود. بنایراین، مشاهده پست به این فکر منجر می‌شود که ناورداهای ساختاری سه فازی را می‌توان با مشاهدۀ رفتار شدت‌های پراش در مجاورت نقاطی که بلور در آن‌ها پراش مضاعف دارد، اندازه‌گیری کرد. این پیشنهاد به طور تجربی بر روی تعدادی از بلورهای نسبتاً ساده انجام شده است.
مدت‌هاست که بلورشناسان برای برآورد ناورداهای ساختاری سه فازی از روی شدت‌های پراش و هم‌چنین برای استنتاج فازها از این برآوردها، از روش‌های ریاضی استفاده می‌کنند. این روش کلاً به روش فازبندی مستقیم موسوم است، و روش فوق‌العاده مناسبی برای فازبندی است. در این روش جز به شدت‌های پراش اندازه‌گیری شده به هیچ چیز دیگری نیاز نیست. هم در مرحلۀ برآورد ناورداها و هم در استنتاج فازها مشکلاتی وجود دارد. ولی این روش معمولا برای مجمع‌هایی موفقیت‌آمیز است که شامل بیش‌تر از 100 اتم نیستند. آن‌چه روش پست وعدۀ انجام آن را می‌دهد، امکان اندازه‌گیری ناورداهاست، و بهای آن هم بررسی دقیق‌تر و مفصل‌تر شدت‌های پراش در ناحیه‌هایی است که پراش مضاعف صورت می‌گیرد.
دومین پیشرفت در این امر را مرهون گرارد بریکون از کالج پزشکان و جراحان در کلمبیا هستیم (بریکون). هدف کار او اصلاح هر دو مرحلة روش فاز‌‌‌‌‌بندی مستقیم است تا بتوان آن را به طور موفقیت‌آمیز در مورد ساختار‌‌‌هایی که تعداد اتم‌هایشان به مراتب از 100 اتم بیش‌تر است به‌کاربرد. روش‌های بریکون خیلی ریاضیاتی هستند و در این‌جا به توضیح آن‌ها نمی‌پردازیم. ولی آزمون‌های مقدماتی که اکنون در چندین مرکز در دست انجام هستند امیدبخش‌اند. ساختارهایی که داده‌های پراش حاصل از آن‌ها در این آزمون‌ها به کار می‌روند، از ساختارهایی که قبلا با روش فازبندی مستقیم مورد بررسی قرار می‌گرفتند به مراتب بزرگ‌ترند.
سومین پیشرفت در این زمینه را می‌توان به گروهی به سرپرستی هربرت هاؤپتمن در مرکز بنیاد پزشکی بوفالو، نسبت داد (هاؤپتمن). سال‌هاست که ساختارهای شامل مجمع‌های بزرگ اتم‌ها را، با روش فازبندی که بر مقایسة دو نقش پراش یا بیشتر مبتنی است درمی‌یابند. این نقش‌های پراش با تغییر تعداد و مکان اتم‌هایی که به ساختار تعلق ندارند به دست می‌آیند؛ اما این اتم‌ها عمداً اضافه می‌شوند تا تغییرات کوچکی در شدت‌های پراش تولید کنند. اگر این تغییرات به طور صحیح تعبیر شوند، از آن‌ها می‌توان برای تعیین فازهای پراش ساختار اصلی استفاده کرد (در یک روش نزدیک به روش فوق، این تغییرات را با اضافه کردن اتم‌ها القا نمی‌کنند، بلکه آن‌ها را با برانگیختن تشدیدها در اتم‌های خاصی ایجاد می‌کنند و برای این کار پرتوهایX را نزدیک به لبه‌های درآشامی اتمی مناسب تنظیم می‌کنند). هاؤپتمن که یکی از تکامل‌دهندگان روش‌های فازبندی مستقیم بود، اکنون مفهوم ناوردای ساختاری را طوری تعمیم داده است که بتوان آن را در مورد چندین نقش پراش به‌کاربرد؛ وی هم‌چنین روش‌هایی برای برآورد ناورداها در این مورد ابداع کرده است. نتیجة کار او می‌تواند پیشرفت بزرگی در قدرت و سهولت روش‌های فازبندی مستقیم برای ساختارهای بزرگ باشد.
در مراحل تکاملی قبلی، مسئله فازبندی نقش‌های پراش بلورهایی موردنظر بود که دارای مجمع‌های اتمی با پیچیدگی فزاینده بودند. ولی در آخرین مرحله فرض را بر این قرار می‌دهند که ورای سطح معینی از پیچیدگی ممکن است دیگر متبلور کردن مجمع‌ها عملی نباشد. به عنوان مثال می‌توان به مجمع غول‌آسایی که یک تک‌سلول زیست‌شناختی نامیده می‌شود اشاره کرد. نقش این‌گونه سلول‌ها را طبیعت آن‌قدر دقیق نساخته است که بلوری متشکل از آن‌ها بتواند وجود داشته باشد. گروهی متشکل از سایر و هل‌بیچ در مرکز تحقیقات IBM وکرزویان در دانشگاه ایالتی نیویورک در استونی بروک، با درنظرداشتن این امر، فعالیت‌هایی را در جهت پی‌بردن به این که آیا می‌توان نقش‌های پراش حاصل از مجمع‌های غول‌آسا را به دست آورد یا نه آغاز کرده‌اند (سایر و دیگر). محاسبات نشان می‌دهند که با استفاده از پرتوX با طول موج حدود 30Å می‌توان نقش‌های پراش را از نمونه‌های بسیار ریزی به دست آورد که، با این که هنوز فوق‌العاده ضعیف‌اند، باید در چشمه‌های شدید پرتوـXای سینکروترونی قابل اندازه‌گیری باشند. کیفیت چشمه‌های فعلی برای این مقصود هنوز ناکافی است و هیچ نقشی تا کنون به طور قطعی مشاهده نشده است. ولی چشمة اصلاح شده‌ای که قرار بود در چشمه تابش سینکروترونی بروک هیون نصب شود، باید بتواند نقش‌های مشاهده‌پذیری را فراهم آورد. با تحقق این امر، ممکن بود برای اولین‌بار راه برای تصویرگیری سه بعدی از این مجمع‌ها با تفکیک 15Å باز شود.