複雑な構造の問題を解決するためのX線回折と電子結晶学の適用

自然界のすべての結晶材料は、無機、有機、または生物学的、巨視的、または顕微鏡であろうと、それらの原子構造に強く依存する独自の化学的および物理的特性を持っています。したがって、構造の決定は化学、物理学、材料科学などで非常に重要です。過去数世紀にわたって、多くの技術が構造決定のために開発されてきました。最も広く使用されているのは、X線結晶学（単結晶X線回折（SCXRD）および粉末X線回折（PXRD））であり、結晶材料の構造決定のための最も重要な手法のままです。SCXRDとPXRDは多くの場合に成功していますが、複雑な構造、多発性サンプル、不純物、ピークオーバーラップなどのナノサイズの結晶、間成長、およびPXRDなどのSCXRDなど、多くの理由が制限されています。構造決定は電子結晶学（EC）です。電子をプローブとして使用すると、ECのみを構造決定に使用することもできます。特に、SCXRDで研究するには小さすぎる、またはPXRDには複雑すぎる結晶についても使用できます。電子はX線よりもはるかに強く対話するため、電子回折（ED）パターンと高解像度透過型電子顕微鏡（HRTEM）画像の両方がナノサイズの結晶から取得できます。ただし、EDパターンの完全なセットを収集するか、優れたHRTEM画像を記録するには、電子顕微鏡と結晶学の動作に関するかなりの専門知識が必要です。電子と材料の間の強い相互作用は、動的効果と梁の損傷にもつながる可能性があります。これらの困難により、EDパターンとHRTEM画像からの構造の決定が簡単ではありません。最近、自動化された方法でデータ収集を実行する2つの3次元（3D）電子回折技術、自動電子回折断層撮影（ADT）および回転電子回折（赤）が開発されました。新しく開発された3D電子回折技術（ADT、赤）の動的効果は大幅に減少しますが、一部の構造では、ビーム損傷のために初期モデルの取得に依然として問題があります。上記のX線回折とECメソッドはどちらも強力な手法ですが、独自の制限があります。多くの複雑なケースでは、1つの手法だけで結晶構造を解くには不十分であり、補完的な構造情報を提供するさまざまな手法では、完全な構造決定のために互いにサポートする必要があります。このアカウントでは、構造決定のためのX線回折（PXRDおよびSCXRD）およびEC（HRTEMおよびED）の利点と短所の概要を提供し、複雑な構造を解くためのX線回折およびECのアプリケーションのレビューを含めますピークオーバーラップ、不純物、擬似対称性、双子の双子、乱れたフレームワーク、ゲストの位置、非周期構造などの問題。構造決定の最新の進歩の一部は、つまり、EDによる水素の位置を明らかにします。X線フリー電子レーザー（XFEL）を使用した電子回折、および構造決定。

All crystalline materials in nature, whether inorganic, organic, or biological, macroscopic or microscopic, have their own chemical and physical properties, which strongly depend on their atomic structures. Therefore, structure determination is extremely important in chemistry, physics, materials science, etc. In the past centuries, many techniques have been developed for structure determination. The most widely used one is X-ray crystallography (single-crystal X-ray diffraction (SCXRD) and powder X-ray diffraction (PXRD)), and it remains the most important technique for structure determination of crystalline materials. Although SCXRD and PXRD are successful in many cases, a number of reasons limit their applications, such as SCXRD for nanosized crystals, intergrowth, and defects and PXRD for complex structures, multiphasic samples, impurities, peak overlaps, etc. Another most valuable technique for structure determination is electron crystallography (EC). With the electron as a probe, EC alone can also be used for structure determination, especially for crystals that are too small to be studied by SCXRD or too complex for PXRD. As electrons interact much more strongly with matter than X-rays do, both electron diffraction (ED) patterns and high-resolution transmission electron microscopy (HRTEM) images can be obtained from nanosized crystals. However, collecting a complete set of ED patterns or recording a good HRTEM image requires considerable expertise on the operation of electron microscopes and crystallography. The strong interactions between electrons and materials can also lead to dynamical effects and beam damage. These difficulties make structure determination from ED patterns and HRTEM images not straightforward. Recently, two three-dimensional (3D) electron diffraction techniques, automated electron diffraction tomography (ADT) and rotation electron diffraction (RED), have been developed, which perform the data collection in an automated manner. Although the dynamical effects in the newly developed 3D electron diffraction techniques (ADT, RED) are reduced significantly, for some structures there are still problems with obtaining an initial model because of beam damage. The X-ray diffraction and EC methods discussed above are both powerful techniques but have their own limitations. In many complicated cases, one technique alone is not enough to solve the crystal structure, and different techniques that supply complementary structural information have to support each other for the complete structure determination. In this Account, we provide a summary of the advantages and disadvantages of X-ray diffraction (PXRD and SCXRD) and EC (HRTEM and ED) for structure determination and include a review of applications of X-ray diffraction and EC for solving complex structure problems such as peak overlap, impurities, pseudosymmetry and twinning, disordered frameworks, locating guests, aperiodic structures, etc. Some of the latest advances in structure determination are also presented briefly, namely, revealing hydrogen positions by ED, protein crystal structure solution by 3D electron diffraction, and structure determination using an X-ray free electron laser (XFEL).