晶體學在我們日常生活中的重要性

X射線衍射儀是用來研究物質晶體學特性的主要儀器。在這篇博客中，我們將提供一些晶體學在我們日常生活中重要性的例子。

許多自然界中的物質是結晶的。自然界出現的晶體，通常是火山活動的結果，會在高壓下形成或從水中結晶出來。

在這裡，你可以看到美麗的石膏晶體，它們在地下深處生長了數千年。這些晶體是在墨西哥Naica的採礦活動中意外發現的。這些晶體非常大，長達數米。請注意圖片右下角的小人像。

然而，在大多數情況下，自然界中的晶體會體積更小。大多數岩石、土壤和沙子由小於毫米的顆粒如含鐵岩石組成。

如果你製作一個岩石碎片的橫截面以備光學顯微鏡觀察，你會看到岩石中的小晶體域。這類岩石的晶體學特性可以用X射線衍射儀(XRD)來研究，例如Empyrean多功能X射線衍射儀。Empyrean旨在分析粉末、薄膜、納米材料和固體物品。

單晶體能將X射線偏轉成美麗的衍射圖案。布拉格定律決定了單晶體在什麼角度會產生衍射信號。此外，多晶材料或粉末也能產生衍射圖案。在粉末中包含的許多小晶體中，只有那些具有正確取向的晶體會產生強烈的衍射信號。由於衍射信號來自多個晶體，粉末圖案也可用來確定混合物的組成。

您在此看到的紅色曲線是一個衍射圖，它由多個峰作為衍射角度的函數記錄下來。從峰的位置可以確定混合物的不同組分，這些組分也稱作混合物中的相。從峰的相對強度中，可以計算出相的相對豐度。粉末圖案就像物質的獨特指紋;這種衍射圖也可以從像岩石和金屬這樣的固體物體中獲得。這些物體由許多小晶體組成，並產生其獨特的粉末圖案。可以為我們周圍世界中找到的許多物質記錄粉末衍射圖。這些材料決定了我們日常生活的質量。讓我們來看看了解粉末和其他結晶混合物的晶體學的重要性。

水泥，一種無聊的材料？

自羅馬時代起，水泥一直是我們居住的建築的主要建築材料。你知道嗎，混凝土的可加工性、凝固時間和最終強度由水泥的晶體特性決定？更準確地說，我們所建建築物的質量取決於水泥硬化過程中的晶體相變化——而這一過程到今天的科學家們仍未完全理解！

水泥是通過在長旋轉窯中加熱石灰石和其他原料製成的。在窯中，這些物質在高達1400攝氏度的溫度下發生晶體學變化，產生稱為熟料的材料，之後被磨碎並與其他成分混合以製成水泥。生產水泥會產生顯著的二氧化碳(CO₂)排放，是全球變暖的原因之一。每公斤水泥幾乎產生一公斤的CO₂，大約占人類活動產生的CO₂排放的5%。它是僅次於發電的第二大CO₂排放源。

在水泥生產過程中，60%的CO₂排放來源於石灰石的煅燒，30%來自於加熱窯所需的燃料。最後10%用於熟料的研磨、材料的運輸等。減少CO₂排放的嘗試集中在兩個方面：

• 首先減少熟料以製作水泥。工業副產品，如電廠的粉煤灰或煉鐵高爐產生的爐渣被用作減少熟料的成分。這些材料也具有膠凝作用。
• 其次，可以使用替代燃料來加熱窯，比如塑料廢料、動物屍體或用過的汽車輪胎，但這些也會影響水泥性能。

了解水泥的晶體學特性對於生產低CO₂排放的水泥至關重要。

優化鐵礦石的開採

在我們的日常生活中，另一種重要的材料是鐵。所有鐵的起點是從礦山開采出來的礦石。礦山中的礦石質量從來不是恆定的。它取決於數百萬年前岩石形成的時候。傳統的簡單方法是通過目視檢查來確定礦石的質量：將未知的顏色與一組參考物進行比較。通過這種視覺檢查，可以將礦體的不同部分分為低品位或高品位。

然而，通過確定晶體學，可以對礦體進行更精細的分類。使用這種方法，可以更好地對開採的材料進行分級和混合，從而創造出質量更穩定的中間體；這增加了采礦活動的盈利能力，因為減少了廢物的生成，也減少了對環境的損害。

讓我們談談壓力

當你坐飛機旅行的時候，有沒有想過為什麼飛機上的窗戶是橢圓形而不是矩形的？飛機和其他機器在運行過程中如起飛和降落時受到循環載荷的影響。經過多次重複載荷，裂紋可能會在表面形成，並可能突然在整個裝配件中蔓延，導致故障：即所謂的金屬疲勞。當第一批商用噴氣式飛機建造時，人們尚未完全理解金屬疲勞。德哈維蘭彗星是50年代建造的噴氣式飛機的例子。飛機成功推出後，兩架飛機在成功運營一年多後相繼墜毀，短時間內發生了幾起空中災難事故。所有飛機都停飛，調查開始。

對飛機機身的重複載荷是通過將其中一架飛機放入水箱——反復加壓和減壓來模擬的。經過超過三千個循環後，飛機突然炸裂。調查顯示，矩形窗戶的角落出現了一條疲勞裂縫。從窗框的模擬應力中可以看出，這些應力在矩形角落比圓形角落要高得多。因此，現代飛機窗戶具有圓角。

通過故意在金屬元件表面產生壓縮殘餘應力，進一步改進了飛機和其他機器的機械元件，使微裂紋保持閉合，從而降低金屬疲勞的風險。如今，金屬部件經過噴丸處理，這將壓縮應力添加到表面，從而大大減少了金屬疲勞問題。理解晶體的變形和X射線衍射的測量對於製作我們日常生活中使用的安全耐用的機器至關重要。

電子學

再來看看另一領域：我們的日常生活中，特別是對年輕一代來說，微電子設備如計算機和手機成為必不可少的一部分。手機變得如此小巧而強大，這要歸功於我們對晶體學的理解。通過這種理解，我們研發了更小、更強大的電池，以及如手機屏幕背光這樣的節能元件。手機背光由氮化鎵(GaN)製成，一種半導體材料。這些背光包含許多薄層，應具有正確的晶體學特性才能成為一個良好的工作裝置。讓我們來看看控制的晶體生長。

GaN背光，如其他微電子元件，由多層不同材料組成，這些材料在化學氣相沉積反應器中的單晶基板上生長。根據反應器中的生長條件，這些層可以是鬆弛的：這與基板的晶體結構無關，或者是應變的：該層被變形並符合基板的晶體結構。這些應變層對於裝置的正確功能至關重要。X射線衍射用於探測這些層的晶體學質量。生產良好的LED使得手機屏幕節能長效。再次，理解晶體學對於我們的日常生活至關重要。

完善製藥工藝

世界人口的增長和老齡化要求為所有人提供藥品。了解藥品的晶体学性質對於研發和生產安全藥物至關重要。旋轉著的分子是沙利竇邇胺，一種在50年代研發出來的藥物，它被發現在孕婦服用後會對未出生的嬰兒產生不良影響。晶体学特性在有機分子中常見的現象是多晶型：分子能夠以不同的形式結晶。

這裡你看到的是兩種形式的吲哚美辛，一種強效止痛藥。我們需要了解這些晶体学形式才能製造安全的藥物。通過測量晶体学，我們還可以檢查藥物的真實性。偽造藥品是一個普遍問題，對於我們人口的安全構成潛在威脅。偽造的風險比毒品販運低。

您在這裡看到的是α和γ吲哚美辛的衍射圖。由於這兩種多晶型物的晶體結構不同，兩種衍射圖也不同。X射線粉末衍射是輕易區分化合物不同多晶型的唯一工具。

食物中的晶體

晶体学對於餵養我們不斷增長的人口也很重要。化肥現在是提高農業產量的關鍵。了解土壤和化肥的晶体学性質有助於針對將要種植的作物優化化肥。

世界上的許多地區，飲用水供應是一個日益嚴重的問題。我們河流中的水經常受到嚴重污染，或者被用於灌溉，導致下游人口水資源短缺。從海水中製造飲用水即海水淡化是一項日益增長的活動。了解膜和過濾器的晶体学性質對於建造降低能耗的海水淡化廠至關重要。最終，許多我們攝取的食物中存在晶体學物質。巧克力是一種美味的晶体學物質。因此，晶体学不僅對於我們的日常生活不可或缺，也為生活增添風味。

在這篇博客中，我向您展示了晶体学在我們日常生活的各個方面都是必不可少的。我們歡迎您在Malvern Panalytical網站上了解更多關於晶体学在我們日常生活中的作用。

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