Cristalografia cu raze X este un mijloc extrem de precis, dar și dificil și costisitor de imagistică a structurii exacte a unei anumite molecule sau macromolecule dintr-o rețea cristalină. Deoarece un set divers de materiale produc cristale, inclusiv săruri, metale, minerale, semiconductori și diverse molecule anorganice, organice și biologice, cristalografia cu raze X este esențială pentru multe domenii științifice. Un cristal este orice aranjament care se repetă în mod regulat al celulelor unitare, care variază în mărime de la mai puțin de 100 de atomi – cristalografie cu molecule mici – până la zeci de mii – cristalografie macromoleculară).
Cristalografia cu raze X este renumită pentru că a fost instrumentul folosit pentru prima dată pentru a descoperi structura ADN-ului, dar a fost folosit și pentru a determina structura diamantului, a sării de masă, a penicilinei, a numeroase proteine și a virusurilor întregi. În total, peste 400,000 de structuri au fost descrise folosind cristalografia cu raze X. Acestea pot fi găsite în baza de date Cambridge Structure.
Pentru a analiza o probă utilizând cristalografie cu raze X, mai întâi trebuie să obțineți un cristal de înaltă puritate al materialului de studiat cu o structură foarte regulată. Aceasta este adesea cea mai grea parte, deoarece numeroase cristale au defecte la scară nanometrică care fac dificilă cristalografia cu raze X.
Apoi, proba este supusă unui fascicul intens de raze X cu o lungime de undă uniformă. Aceste raze X produc un model de difracție pe măsură ce se reflectă în eșantion. Acest model de difracție este oarecum similar cu ceea ce se observă atunci când mai multe pietre sunt aruncate într-un iaz – unde undele se încrucișează sunt vârfuri care alcătuiesc modelul de difracție.
Prin rotirea lent a cristalului, lovirea lui cu raze X și înregistrarea meticuloasă a modelelor de difracție la fiecare orientare, poate fi derivată o hartă a densității electronilor. Această hartă a densității electronice este apoi utilizată pentru a formula o ipoteză despre structura atomică căreia îi corespunde. Modelele de difracție sunt apoi analizate în lumina structurii ipotetizate și, dacă pare plauzibil că structura dată ar produce modelul de difracție observat, se trage o concluzie. Rezultatul este apoi încărcat în bazele de date centrale de tipul menționat mai devreme.