Eksperymentalne metody w krystalografii

chemia

obowiązkowe

Celem wykładu "Eksperymentalne metody w krystalografii" jest zapoznanie studentów z podstawowymi eksperymentalnymi metodami badań krystalograficznych. Po przypomnieniu klasycznych metod rentgenowskich - będących swego rodzaju metodami odniesienia - bardziej szczegółowo będzie omówiona specyfika rentgenowskich badań związków nieorganicznych i minerałów, modele gęstości elektronowej i nowoczesne eksperymentalne metody badań kryształów, krystalografia białek, krystalografia fizyczna oraz specyfika badań synchrotronowych włącznie z laserem XFEL. Wykład zakończy się omówieniem metod komplementarnych do dyfrakcyjnych metod rentgenowskich.

mieszany: w sali i zdalnie

Eksperymentalne metody w krystalografii

1. Eksperymentalne rentgenowskie metody dyfrakcyjne .

2. Rentgenowskie badania związków nieorganicznych i minerałów.

3. Dyfrakcja na próbkach proszkowych

4. Modele gęstości elektronowej i ich zastosowania w badaniach kryształów.

5. Krystalograficzne badania białek.

6. Badania przy użyciu synchrotronów oraz XFEL.

7. Wybrane metody komplementarne do rentgenowskich badań strukturalnych (dyfrakcja neutronów, elektronów, krioEM)

Wykłady będą udostępniane na początku każdego tygodnia za pośrednictwem platformy KAMPUS. Co tydzień podczas e-konsultacji studenci powinni przygotować pytania związane z wykładem z danego tygodnia.

Eksperymentalne metody w krystalografii

(15h)

1. Eksperymentalne rentgenowskie metody dyfrakcyjne.

Natura rentgenowskiego eksperymentu dyfrakcyjnego; fale; dyfrakcja promieni rentgenowskich na kryształach; równania Lauego i Bragga; czynniki wpływające na intensywność wiązki ugiętego promieniowania rentgenowskiego; rozpraszanie przez atom - atomowy czynnik rozpraszania; rozpraszanie przez kryształ - czynnik struktury; sieć odwrotna i jej symetria; główne etapy eksperymentu dyfrakcyjnego; metody bezpośrednie; udokładnienie struktury, wskaźniki rozbieżności, banki danych strukturalnych.

2. Modele gęstości elektronowej i ich zastosowania w badaniach kryształów.

Atomowy czynnik rozpraszania; IAM; asferyczne modele gęstości elektronowej; model Hansena – Coppensa i udokładnienie multipolowe; Baderowska teoria atomów w cząsteczkach; punkty krytyczne i ich interpretacja; przykłady zastosowań udokładnienia multipolowego, banki pseudoatomów i ich rola w badaniach strukturalnych, udokładnienie metodą atomów Hirshfelda (HAR); porównanie wyników uzyskiwanych różnymi metodami eksperymentalnymi – precyzja i dokładność uzyskiwanych rezultatów

3. Dyfrakcja na próbkach proszkowych: układy eksperymentalne, identyfikacja faz, indeksowanie dyfraktogramu, identyfikacja parametrów komórki elementarnej, metody rozwiązania struktury, zastosowania do analizy naprężeń i charakterystyki rozmiarów ziaren; interpretacja dyfrakcji wykraczającej poza sygnały Bragga;

4. Badania związków nieorganicznych i minerałów.

Hipoteza Keplera; gęste i najgęstsze upakowanie sfer na płaszczyźnie, w przestrzeni, luki, ccp i hcp; koordynacja i figury koordynacyjne; promienie atomowe i jonowe; reguły Paulinga; polimorfizm i roztwory stałe; reguły Fajansa; atom asferyczny – fluoryt; stała Madelunga; minerały; typy struktur; reguły Goldschmidta; przykłady struktur różnych typów; specyfika eksperymentów

5. Krystalograficzne badania białek.

Natura kryształów białek; białka i ich krystalizacja; struktura białek; metody krystalizacji białek; czynniki wpływające na krystalizację; dyfrakcja promieni rentgenowskich na kryształach białek; metody fazowania; Mapy Patersonowskie i podstawienie izomorficzne; cięcia Harkera; natura podstawienia izomorficznego (SIR);

wielokrotne podstawienie izomorficzne (MIR); rozpraszanie anomalne; MAD; podstawienie molekularne; budowa i udokładnienie modelu; mapy różnicowe; wskaźniki rozbieżności; walidacja modeli strukturalnych

6. Badania przy użyciu synchrotronów oraz XFEL.

Główne ośrodki badań synchrotronowych; synchrotrony różnych generacji; budowa synchrotronu; popularne stacje badawcze, przykłady strukturalnych badań synchrotronowych; (XFEL): budowa, produkcja wiązki, specyfika pomiarów, ośrodki XFEL na świecie, przykłady badań

7. Wybrane metody komplementarne do rentgenowskich badań strukturalnych.

Metody neutronowe: źródła neutronów, ośrodki badań neutronograficznych, stacje badawcze, dyfrakcja neutronów na kryształach, przykłady badań; metody elektronowe: aparatura, dyfrakcja elektronów na kryształach, przykłady badań; kriomikroskopia elektronowa jako narzędzie strukturalnych badań makromolekuł: sprzęt, istota eksperymentu, przykłady badań;

Całkowity nakład pracy: 35 godz.

w tym:

- udział w zajęciach - 15 godz.

- konsultacje z prowadzącym - 10 godz.

- przygotowanie do zaliczenia - 10 godz.

1. Z. Bojarski, M. Gigla, K. Stróż, M. Surowiec, Krystalografia. Podręcznik wspomagany komputerowo, PWN, Warszawa, 1996, 2001, 2007.

2. Z. Trzaska Durski, H. Trzaska Durska, Podstawy krystalografii, Oficyna Wydawnicza Politechniki Warszawskiej, Warszawa 2003.

3. M. van Meerssche i J. Feneau-Dupont, Krystalografia i chemia strukturalna, PWN, Warszawa 1984.

4. J. P. Glusker, M. Lewis, M. Rossi, Crystal Structure Analysis for Chemists and Biologists, VCH Publishers (1994).

5. C. Giacovazzo, H. Z. Monaco, D. Biterbo, F. Scordari, G. Gilli, G. Zanotti, M. Catti, Fundamentals of Crystallography, IUCR, Oxford University Press, 2000.

Po zakończeniu wykładu student:

- zna i rozumie przebieg eksperymentu dyfrakcji promieniowania rentgenowskiego oraz proces wyznaczania struktury krystalicznej,

- zna możliwości oraz ograniczenia metod dyfrakcyjnych komplementarnych do metod rentgenowskich, oraz eksperymentów prowadzonych w ośrodkach wielkoskalowych (synchrotron, XFEL)

- zna czynniki wpływające na jakość uzyskiwanych danych dyfrakcyjnych oraz modeli struktur krystalicznych,

- zna i rozumie specyfikę rentgenowskiej analizy strukturalnej dla związków nieorganicznych i minerałów, związków organicznych oraz makrocząsteczek biologicznych

- potrafi wykorzystać metody rentgenograficzne do analizy struktury kryształów i molekuł w fazie krystalicznej, w tym zaprojektować eksperyment dostosowany do specyficznych wymagań badanego materiału

- umie ocenić wiarygodność informacji pozyskanych w toku rentgenowskiej analizy strukturalnej, w szczególności umie ocenić wiarygodność eksperymentów dyfrakcyjnych raportowanych w literaturze i podjąć dyskusję na ten temat,

- potrafi skorzystać z fachowej literatury krystalograficznej, krystalograficznych baz danych oraz innych źródeł informacji, w tym anglojęzycznych.

Symbole kierunkowych efektów kształcenia:

K_W04, K_W05, K_W10,

K_U03, K_U08, K_U09, K_U13

K_K01, K_K04

Egzamin pisemny na ocenę, obejmujący kilka pytań otwartych dotyczących problemów krystalograficznych merytorycznie związanych z treścią wykładu. Ocena wystawiana na podstawie całkowitej liczby zdobytych punktów:

x>90% max. liczby punktów (mlp) ocena 5+ celująca (5!)

80% < x < 90% mlp ocena 5

70% < x < 80% mlp ocena 4+

60% < x < 70% mlp ocena 4

50% < x < 60% mlp ocena 3+

40% < x < 50% mlp ocena 3

x < 40% mlp ocena 2

Uzyskanie oceny wyższej maksymalnie o pół stopnia jest możliwe w przypadku, gdy student wykona poprawnie nieobowiązkowe zadania domowe zlecane po wybranych wykładach.

Maksymalna liczba nieusprawiedliwionych nieobecności na zajęciach: 2

n/a