Cristalografía de rayos X

Este año, 2014 fue proclamado por la Asamblea General de las Naciones Unidas como el Año Internacional de la Cristalografía, y tal vez se pregunten, ¿por qué ese organismo le da tal importancia a la cristalografía? Pues bien, para entender por qué se le otorgó este reconocimiento veamos la importancia que esta ciencia tiene en nuestro mundo. Empecemos por mencionar a los cristales, que son sólidos cuyos átomos están situados de una forma ordenada y periódica; imaginen un regimiento militar formado por varios batallones donde cada hombre que conforma un batallón simbolizaría a un átomo de la estructura cristalina y cada batallón representaría la unidad mínima de un cristal conocida como celda unitaria, la cual se repite periódicamente, así como lo hace cada batallón al acomodarse uno tras otro. Entre los ejemplos de cristales bien conocidos por todos nosotros tenemos el azúcar, la sal, los minerales, los cristales de las pastas dentales y los famosos y bellos diamantes, rubíes, esmeraldas y otras piedras valiosas, así como los uratos, oxalatos y fosfatos, mejor conocidos como piedras o cálculos, que al acumularse en el organismo causan cuantiosos daños.

Imagen tomada del radiólogo físico y artista Arie van ́t Riet, en http://www.x-rays.nl/leguanen_e.htm

Imagen tomada del radiólogo físico y artista Arie van ́t Riet, en http://www.x-rays.nl/leguanen_e.htm

La cristalografía es la ciencia que estudia y resuelve las estructuras químicas de los cristales. Se considera que esta ciencia nació con el descubrimiento de los rayos X en 1895 por el científico alemán Conrad Röntgen cuando realizaba experimentos con tubos de Crookes —que no son más que conos de vidrio con electrodos conductores de corriente eléctrica. Röntgen observó que cuando encendía el tubo se producía un resplandor en una placa de revelado incluso si cubría el tubo con materiales gruesos, suceso que le causó gran interés, por lo que se dedicó a estudiarlo meticulosamente. En una ocasión, al colocar su mano entre el tubo y la placa, vio que la imagen generada al revelar la placa era la de sus huesos, obteniéndose así lo que hoy llamamos una radiografía de su mano. Debido a que se desconocía la naturaleza de esos “rayos” se les nombró rayos X. Este descubrimiento le mereció a Röntgen el premio Nobel de física en el año 1901. Estudios posteriores permitieron conocer que los rayos X son radiaciones electromagnéticas de gran energía capaces de atravesar objetos y permitir la visualización de la composición interna de éstos tras la impresión de películas fotográficas. Uno de estos estudios fue el que llevó a cabo Max von Laue con la ayuda de Walter Friedrich y Paul Knipping en 1912, que consistió en hacer pasar un haz de rayos X a través de un cristal de sulfato de cobre y colocando en el extremo una película fotosensible que al revelarla le permitió obtener el patrón de interferencia de este compuesto, también llamado patrón de difracción —especie de imagen de la estructura cristalina. El análisis de estos resultados le permitiría a Laue formular la teoría de la difracción de rayos X en cristales, lo que le sería reconocido en 1914 con el premio Nobel de física. Experimentos realizados por William Henry Bragg y William Lawrence Bragg (padre e hijo, respectivamente) mediante difracción de rayos X en cristales les permitieron postular la Ley de Bragg en 1913, la cual establece una relación directa entre el patrón de difracción de una sustancia y su estructura interna, por lo que a partir de dicho patrón se puede elucidar la estructura del cristal difractado y conocer así la organización interna de sus átomos. Debido a la importancia de estas investigaciones, en 1915 también los Bragg recibieron el premio Nobel de física.

Es importante remarcar que para poder aplicar la difracción de rayos X en cristales se requiere trabajar con sistemas cristalinos, ya sean monocristales, que son cristales únicos de alta calidad, o polvos cristalinos. La difracción de rayos X de polvos es empleada principalmente para la identificación de sustancias presentes en una muestra, por ejemplo en un mineral, la caracterización de nuevos materiales, la determinación del tamaño de los cristalitos en muestras microcristalinas, la cuantificación del porcentaje de cristalinidad de una sustancia, entre otras, mientras que la difracción de rayos X de monocristal permite establecer la estructura del compuesto difractado mediante el tratamiento físico-matemático de los datos obtenidos por medio de programas computacionales.

Por medio de la cristalografía de rayos X se han determinado hasta hoy más de medio millón de estructuras de compuestos inorgánicos y orgánicos, incluyendo sustancias farmacéuticas y biológicas, como son los antibióticos, las vitaminas y las hormonas. Por disponer hoy en día de supercomputadoras es posible analizar macromoléculas de interés bioquímico, como el ADN o elucidar la estructura de enzimas. Todo ello muestra que la cristalografía de rayos X ha contribuido enormemente a avances relevantes en diversas áreas, como la Química, la Farmacia, la Medicina, la Física, la Ciencia de Materiales, la Mineralogía, la Geología, etcétera. Actualmente, gracias a esta ciencia, se pueden diseñar nuevos fármacos que combatan enfermedades que afectan a la sociedad, estudiar muestras de suelos, fabricar paneles fotovoltaicos, diseñar cristales líquidos como los utilizados en las pantallas planas y chips informáticos o buscar soluciones para reducir la contaminación del planeta, entre otras aplicaciones.

Como pueden ver, la cristalografía y los cristales desempeñan un papel importante en nuestra vida diaria y es por ello que este año se le ha otorgado dicho mérito.

 

*areg11@hotmail.com