1.5 现状和展望
从20世纪60年代起，随着电子计算机的发展，计算机控制的单晶衍射仪问世，收集衍射数据的速度、精度和自动化程度大大提高，同时解出晶体结构的直接法获得很大的发展。直接法肇始于40年代末，它是根据电子密度分布的特点导出相角关系，利用结构振幅数据和数学手段推出相角。60年代以后，一个个直接法计算程序相继问世，它们具有快速、自动化强等明显优点，也具有较强普适性。目前大多数晶体结构是用直接法解出。在直接法研究工作中作出突出贡献的H. A. Hauptman(数学家)和J. Karle获得了1985年诺贝尔化学奖，也反映了直接法的重要地位。
四圆衍射仪和直接法的发展，已经大大地改变了X射线晶体学的面貌。昔日20世纪四五十年代测定一个较复杂的晶体结构，所需时间要以年计，研究的晶体要有重原子等条件，而且所得精确度相对较低。而到20世纪末，只要能获得大小合适的单晶体，不论分子本身复杂性如何，不论有无重原子，大多数都能在几天之内测定出结构，而且精确度较高。而限制X射线这一有力工具发挥作用的因素是待测样品必须是单晶体，这由化学操作中结晶过程所决定。
近几十年来，低温、高温、高压和微重力（人造地球卫星和航天飞机上)条件下生长和处理单晶体的实验条件，又扩展了用衍射法研究化合物结构的范围，在仪器方法上也获得快速发展。同步辐射(synchrotron radiation)X射线源的应用，可为很小的晶体(如线度为0.03mm的晶体)和不稳定晶体收集衍射数据。高强度同步辐射的利用，已影响到X射线晶体学及晶体的散射领域的研究工作，就像激光之影响光学领域一样。面探测器(area detector)的发展，可同时记录许多衍射数据，缩短收集衍射强度的时间。例如，Siemens(西门子)公司曾采用的电荷耦合器件(charge-coupled device,CCD)为一直径9cm的固态二维探测器，它将光导纤维直接和探测器结合，有512×512个点的信号输出，相邻两点的分辨率在60μm，可直接读出衍射强度，读出时间很短(2秒)，显示出它具有优越地收集衍射强度数据的性能：一方面是空间分辨力高，可同时记录衍射点强弱差别很大的衍射强度；另一方面是收集衍射数据快速，例如，用普通的Mo靶X射线封闭管(3 kW)对晶胞边长达10nm的晶体，几个小时就可收集到全部衍射强度数据。所以，这种方法可以用于收集很小的晶体或不稳定的晶体的衍射强度，可用以研究相转变问题或精确的电子密度的研究等。晶体结构图形显示装置的发展，为消化和利用晶体学数据提供了有力的工具。
对生物大分子晶体，从20世纪90年代末开始，晶体学家们只要有一颗合用的单晶，几个小时采集好衍射数据，再用几周时间就可完成结构分析。就是说专业性很强的晶体结构测定，变为“常规”的分析。这得益于该领域先驱们的创造性的劳动和坚持不懈的努力，使X射线晶体学理论和方法不断发展和完善，对应的实验技术手段不断迅猛发展和充实。特别是高速、大容量的计算机和信息网络技术的普及；同步辐射强光源的应用；快速深冷技术的引入；应用成熟可靠的分子生物学的克隆、表达和纯化技术，较快速获得大量的纯样品；使用全自动机器人关照大规模和微量结晶扫描等技术，使专业性很强而多环节的结构测定工作，简化成为研究人员对着计算机屏幕，通过“人机对话，一问一答”或“鼠标点击”进行操作。那些刚涉足领域的初学者，也可进行“傻瓜”式操作来测定大分子晶体结构，曾经的枯燥繁琐现在变为一种享受。不仅如此，目前人们正在开发只要在衍射平台上安放晶体样品，即可以离开现场用手机遥控进行采集数据的仪器，解结构和修正，获得最终结果，也可以通过网络系统远程操作，这不是奢望。这种衍射法快速而精确地测定生物大分子结构的现状，能应对结构基因组学的要求，只要上游的环节制备出合格的目标晶体样品，就可定出结构。
国际晶体学会(International Union of Crystallography,IUCr)成立以来，除了创办学术刊物、成立各分支学会、召开学术会议等活动外，还不停顿地做了两件大事：一是建立多种晶体学数据库，二是出版大型手册，以供化学家、物理学家、矿物学家、生物学家和材料学家等使用。它们已成为从事晶体结构测定和晶体学研究工作不可缺少的工具书。
1. 晶体学数据库
现在已经有30多万种晶体定出了结构，积累了大量的结构数据。国际上已经建立的晶体学数据库主要有五种［48］：
(1) 剑桥结构数据库(The Cambridge Structural Database，CSD）。它有近27万种由X射线或中子衍射测定的三维晶体结构数据（统计到2012年)。该数据库收集含碳化合物(包括有机物、有机金属化合物及无机含碳化合物，如碳酸盐等)的结构数据。有多种检索方法，如：化合物的名称、作者姓名、某些原子基团、整个分子或部分化学结构等。
(2) 蛋白质数据库(The Protein Data Bank，PDB)。该库开始建立于1971年，建立在美国Brookhaven国家实验室。现已存有26000种生物大分子的结构数据，其中22300种为X射线衍射法测定的晶体结构，3800种为NMR测定的结构。在衍射法测定结构的数据中对每个蛋白质晶体列出下列内容：收集的衍射数目、修正方法、偏差数值、已测定水分子位置的数目、蛋白质分子中氨基酸连接次序、螺旋、折叠层及转弯的分析、原子坐标参数，以及与蛋白质结合的金属原子、底物及抑制剂等的坐标参数等，详细情况参见第6章附录6.1。
(3) 无机晶体结构数据库(The Inorganic Crystal Structure Database，ICSD)。建立在德国，到2011年已超过14万个无机化合物的晶体结构(不含C—C和C—H键的化合物)。
(4) NRCC金属晶体学数据文件(The National Research Council of Canada，Metals Crystallographic Data File，NRCC)。该库建立在加拿大，约有6万个金属单质、金属合金、金属间物相及部分金属氢化物和氧化物的晶体结构信息。
(5) 粉末衍射文件(The Powder Diffraction File，PDF)。该库建立在美国，PDF-4(2012)汇集无机物衍射数据条目数达328660条，矿物数据39410条；PDF-4(2013)汇集有机化合物和有机金属化合物471257条。由该数据库汇集的粉晶衍射资料，为国际衍射数据中心的粉晶数据库(Joint Committee on Powder Diffraction Standards-International Center for Diffraction Data，JCPDS-ICDD)新的电子版。储存各化合物的晶面间距dhkl、相对强度、晶胞、空间群和密度等数据，主要用于物质的鉴定。
上述这些晶体结构数据，已构成自然科学知识宝库的重要组成部分。
人们依靠晶体结构数据，可详细地考察和了解晶体的各种特性，如晶体的对称性、分子的立体构型和构象、分子之间的相互作用和分子的堆积、各个原子的热振动幅度等。由于测定一个晶体的结构，能为该晶体提供全面而准确的关于原子排列的数据，有时通过电子密度的计算，可以了解化学键中电荷的分布，了解化学键的性质。所以，晶体的衍射已成为研究化学问题所必须具备的化学手段。
2. 晶体学国际表
晶体学国际表编纂工作始于20世纪30年代。第一版以德文出版，书名为：Internationale Tabllen zur Bestimmuny von Kristall-Strukturen，分Ⅰ和Ⅱ两卷。英文书名为：International Tables for the Determination of Crystal Structures。
1952—1974年陆续出第二版，书名为：International Tables for X-Ray Crystallography。共4卷：
Volume ⅠSymmetry groups
Volume ⅡMathematical tables
Volume ⅢPhysical and chemical tables
Volume ⅣRevised and supplementary tables
1983年迄今出版第三版，书名为：International Tables for Crystallography。已出版8卷：
Volume ASpace-group symmetry
Volume A1Symmetry relations between space groups
Volume BReciprocal space
Volume CMathematical, physical and chemical tables
Volume DPhysical properties of crystals
Volume ESubperiodic groups
Volume FCrystallography of biological macromolecules
Volume GDefinition and exchange of crystallographic data
此外，还有用作教学的简明版本：
T.Hahn(ed.), Brief Teaching Edition of International Tables for Crystallography, Volume A: Space Group Symmetry, 5th edn. (corrected reprint), Chichester, Springer, 2005.
随着计算程序的发展，晶体结构测定工作也从少数晶体学家手中解放出来，为许多化学家所掌握和利用。晶体结构测定的速度也已能够和化学合成及应用等方面的需求同步地进行，为研究化学问题各环节所必需。
在晶体结构知识的引发下，相继形成和发展的新兴学科，如分子设计学、分子工程学、分子生物学、分子药理学、……也是根据分子的结构和有关化学键的性质，在分子水平上探讨问题，阐明它们的内在规律。现代的物理学、材料科学、矿物学等也都离不开晶体结构的知识。人们对非晶态物质的认识，常借助于晶体结构的知识。所以，晶体结构的知识不仅对化学，而且对整个自然科学都有着极为重要的作用。
由上可见,一个多世纪以来，晶体衍射的研究和发展及其在自然科学中的作用是很大的，它因此也获得了许多奖赏和荣誉。例如，在化学、物理学和生物学领域中已有近30个诺贝尔奖与晶体的衍射有关，如表1.1所示［48］。这反映了晶体衍射的研究具有历史悠久、涉及面广、成果丰富、经久不衰、至今仍在深入发展等特点。
表1.1与X射线及晶体衍射有关的诺贝尔奖［49］
