晶体学在我们日常生活中的重要性

X射线衍射仪是研究物质晶体性质的主要仪器。在这篇博客中，我们将举几个例子说明晶体学在我们日常生活中的重要性。

自然界中发现的许多物质是晶体状的。出现在自然界中的晶体，是由于火山活动，在高压下形成或从水中结晶的结果。

这里您看到的是美丽的石膏晶体，它们在地下深处经过数千年的生长后被偶然发现几年前，在墨西哥奈卡矿的采矿活动中。 这些晶体体积异常庞大，有数米长。 请注意图片右下角的小人形。

然而，在大多数情况下，天然晶粒的尺寸要小得多。 大多数岩石、土壤和沙子由小于毫米的颗粒组成，例如含铁岩石。

如果您制备岩石碎片的切片以便观察光学显微镜，您将会看到岩石中的小晶体域。 可以使用X射线衍射仪 (XRD) 研究此类岩石的晶体性质，例如 Empyrean多功能 X射线衍射仪。Empyrean用于分析粉末、薄膜、纳米材料和固体物体。

单晶体将X射线偏折成美丽的衍射模式。布拉格定律决定了单晶体在哪个角度会产生衍射信号。同时，多晶材料或粉末也会产生衍射模式。在许多在粉末中含有的小晶粒中，只有那些有合适取向的晶粒会提供强衍射信号。由于衍射信号会来自多个晶粒，因此可以用粉末模式来确定混合物的组成。

在这里您看到的红色曲线是一个衍射图。它包含许多按照衍射角度记录的峰位。从峰位的角度位置可以确定混合物的不同组分，也称为混合物中的相。通过峰值的相对强度可以计算出相对的相丰度。粉末模式如材料的唯一指纹；这样的衍射图还可以从诸如岩石和金属等固体物体中获得。这些物体内部由许多小晶粒组成，并产生其独特的粉末模式。我们在周围世界中发现的许多物质都可以记录粉末衍射图。这些材料决定了我们日常生活的质量。让我们来看看理解粉末及其他混晶物的晶体学的重要性。

水泥，一种无聊的材料？

自罗马时代以来，水泥一直是我们居住建筑的主要建筑材料。您知道吗，混凝土的可工作性、凝结时间和最终强度由水泥的晶体性质决定吗？更确切地说，我们建造的建筑物的质量是由水泥硬化期间的晶体相变决定的——这一过程到今天的科学家仍无法完全理解！

水泥由加热石灰石和其他原料在称为窑炉的长旋转炉中制成。在窑炉中，物质在高达1,400摄氏度的温度下发生晶体变化，产生一种称为熟料的材料，随后将其粉磨并与其他成分混合以制成水泥。水泥的制造导致了大量的二氧化碳（CO₂）排放，这是一种导致全球变暖的气体。每制造一公斤水泥，几乎会产生一公斤的CO₂，占人类活动产生的 CO₂ 排放的约 5%。它是继发电之后的第二大 CO₂ 排放来源。

在水泥生产过程中，总体CO₂排放量的主要部分（60%）来自石灰石煅烧，30%来自加热窑炉所需的燃料。最后10%用于粉磨熟料、材料在工厂内的输送等。减少CO₂排放的努力集中在两个方面：

• 首先生产含熟料较少的水泥。工业副产品，如电厂的粉煤灰或炼铁高炉的矿渣用于此目的。这些材料也具有水泥性效果。
• 其次，可以使用塑料废料、动物尸体或废旧轮胎等替代燃料加热窑炉，但这些也会影响水泥的性质。

了解水泥的晶体性质对于生产低 CO₂ 排放的水泥至关重要。

优化采矿中的铁矿石

铁是我们日常生活中另一种重要的材料。所有铁的起点是从矿井中挖出的矿石。矿井中的矿石质量从来不是恒定的。这是在几百万年前岩石形成时决定的。用视觉检查来确定矿石质量的经典和简单的方法：将未知的颜色与参考套装进行比较。从这样的视觉检查中，矿体的不同部分可以被分类为低品位或高品位。

然而，凭借对晶体结构的测定，可以对矿体进行更精细的分类。使用这种方法可以更好地将开采的材料分为不同的等级并混合它们，以创造质量更加恒定的中级产品；这样做提高了采矿活动的利润，因为产生的废物更少，并且减少了对环境的损害。

讨论压力问题

当您乘坐飞机旅行时，您是否曾想过为什么飞机窗户是椭圆形而不是矩形？飞机和其他机械设备在起飞和着陆等操作期间承受循环载荷。经过多次重复载荷，裂纹可能会在表面上形成并突然扩展至整个组件，导致失效：即所谓的金属疲劳。金属疲劳在第一架商业喷气式飞机建造时尚未完全理解。de Havilland Comet就是这种在50年代建造的喷气式飞机的一个例子。飞机成功引入后，经过一年多的成功运行，其中两架飞机相继坠毁，短时间内发生了几起空中灾难事故。所有飞机都被停飞，调查开始了。

通过将一架剩余的飞机放入一个水箱中，模拟飞机机身的重复载荷——水箱不断地加压和降压。经过三千多个循环后，飞机突然爆炸。调查显示，在矩形窗户的拐角处发生了疲劳裂纹。从窗框上模拟的应力可以看出，这些应力在矩形拐角处远高于圆角处。因此，如今飞机的窗户都采用圆角设计。

进一步改进飞机和其他机器的机械部件是通过在金属部件表面故意产生压缩残余应力，从而使微裂纹闭合，从而减少金属疲劳的几率。如今，金属部件经过喷丸处理，这种处理方法在顶部表面增加了压力，金属疲劳问题大部分得到解决。理解晶体变形，并通过X射线衍射进行测量，是制造我们日常使用的安全耐用机器的关键。

电子产品

再次，另一个领域：微电子设备，如电脑和手机也成为我们日常生活的必不可少的部分，尤其是对年轻一代。手机如此小巧和功能强大，这要归功于我们对晶体学的理解。有了这种理解，我们创造了更小而更强大的电池，以及节能的元件，如手机屏幕的背光。手机背光由氮化镓（GaN）制成，这是一种半导体材料。这些背光由多层薄膜组成，这些薄膜必须具备正确的晶体性质，才能成为一个良好的工作设备。让我们来看看受控结晶生长。

与其他微电子元件类似，GaN背光由许多在化学气相沉积反应器中生长的不同材料的层组成。取决于反应器中的生长条件，这种层可以是放松的：与衬底的晶体结构无关；或者是应变的：层被变形并与衬底的晶体结构匹配。这些应变层对于设备的正确功能至关重要。X射线衍射用于探测这些层的晶体质量。生产良好的LED导致能效高且寿命长的手机屏幕。再次强调，理解晶体学对我们的日常生活起着至关重要的作用。

完善药品

世界人口的增长和老龄化要求所有人都能获得药品。理解药品的晶体结构对安全药物的开发和生产至关重要。旋转的分子是沙利度胺，这是一种于50年代开发的药物，后来发现对未出生的儿童有不良影响。有机分子中的一个常见的晶体学特性是多晶型：分子以不同形式结晶的能力。

在这里您看到的是消炎痛两种形式的照片，这是一种强效止痛药。我们需要了解这些晶体形式才能制造安全的药品。通过测量晶体学，我们还可以检查药物的真实性。药品的伪造是一个普遍的问题，对我们人口的安全构成潜在威胁。伪造的风险比毒品贩运更低。

这里您看到的是α型和γ型消炎痛的衍射图。由于这两个多晶型具有不同的晶体结构，因此两种衍射图也不同。X射线粉末衍射是能够即时区分化合物不同多晶型的唯一工具。

食物中的晶体

晶体学对于养活我们不断增长的人口也很重要。肥料对于提高农业产量是必不可少的。理解土壤和肥料的晶体结构有助于为作物优化肥料的使用。

在世界的许多地区，获得饮用水的问题日益严重。我们的河水经常受到污染，或者被用于灌溉，这导致了下游人口对水的短缺。将海水转化为饮用水的活动称为海水淡化，这是一项日益增长的活动。了解膜和过滤器的晶体结构对于建造低功耗的海水淡化厂显得非常重要。最后，晶体物质存在于我们食用的许多食品中。巧克力不仅美味且具有晶体性质，所以，晶体学不仅对我们日常生活至关重要，它也增添了味道。

在这篇博客中，我已向您展示了晶体学在我们日常生活中的各个方面是多么重要。欢迎您在Malvern Panalytical网站进一步了解日常生活中的晶体学。

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