La magia natural de los cristales

¿Qué son esos objetos sólidos de formas geométricas sorprendentes, algunos de ellos dotados de colores que parecen guardar la luz del ocaso, el verdor de una pradera en verano o el azul del infinito mar? ¿Por qué en la memoria del idioma tenemos frases como “se ha cristalizado mi sueño” o bien, “nada es verdad, ni mentira, todo depende del color del cristal con que se mira”? Cuando contemplamos un cristal o hablamos del estado cristalino, surge espontáneamente la idea de que en un cristal todo está asociado al orden. En seguida se concatena otra idea: los efectos de los cristales, o dicho de otro modo, la “magia natural” de los cristales debe provenir de sus propiedades.

¿Estas cualidades están asociadas al orden y por eso los cristales son tan especiales?

Aquí inicia nuestro relato sobre lo que sabemos hoy del mundo de los cristales. Decimos mundo porque encontramos cristales por doquier: cristales naturales, como los minerales, por ejemplo el cuarzo, la magnetita, el diamante y los biominerales, que son minerales producidos en los seres vivos; por ejemplo, el esqueleto humano y las conchas marinas. Los cristales también pueden ser artificiales; ellos forman parte fundamental en el mecanismo de funcionamiento de muchos aparatos electrónicos que utilizamos cotidianamente; por ejemplo las baterías de los dispositivos móviles como teléfonos celulares, lap tops, etcétera, son  cristales de óxido de cobalto u óxido de manganeso que tienen distribuidos iones de litio; los equipos de ultrasonografía médica tienen como elemento sensor fundamental cerámicas cristalinas de un óxido mixto de Plomo, Circonio y Titanio (PZT).

Empecemos definiendo qué es un cristal. El cristal es un sólido en el que sus componentes (átomos, iones y/o moléculas) están ordenados a intervalos regulares, como las losetas de un piso. Desde 1912 tenemos la certeza de que así es, pues ese año se realizó un experimento único en la historia de la ciencia: Laue, Friedrich y Knipping demostraron que los cristales de sulfato de cobre, cuando son irradiados con  rayos X, producen el fenómeno de difracción, el cual solo es posible cuando se tiene un orden periódico de objetos, que en este experimento son los iones cobre y sulfato. Entonces, la evidencia experimental inequívoca de que una sustancia es cristalina la proporciona un experimento de difracción de rayos X: si se obtiene un “patrón de difracción” o difractograma, la sustancia en cuestión es cristalina; si esto no ocurre, la sustancia es amorfa.

¿Y las propiedades de los cristales dependerán de ese orden que tienen los componentes del cristal? En general sí, porque las propiedades físicas y químicas de los cristales dependen de la dirección. Aquí tenemos que hacer una parada en nuestro relato para comentar brevemente sobre aspectos metodológicos de la investigación científica experimental, particularmente en el caso de cristales, como fue demostrado por Pierre Curie en su célebre trabajo sobre la simetría de los fenómenos físicos, publicado en 1894.

Las propiedades físicas están definidas por una relación que acopla dos o más cantidades medibles de la misma naturaleza: térmica, eléctrica, mecánica, etcétera. Por ejemplo, la propiedad conocida como susceptibilidad dieléctrica caracteriza la relación entre el campo eléctrico y la polarización eléctrica. Las constantes elásticas caracterizan la relación entre un esfuerzo aplicado y la tensión resultante. Desde la segunda mitad del siglo XX se han investigado los llamados efectos cruzados, que por la riqueza de la fenomenología y sus aplicaciones merecen ser enlistados: la expansión térmica y el efecto piezocalorífico: reacción mecánica al ímpetu térmico  o lo inverso; la piroelectricidad y el efecto electrocalorífico: respuesta eléctrica a un ímpetu térmico o lo inverso; la piezoelectricidad y la electrostricción: respuesta eléctrica a un ímpetu mecánico; el piezomagnetismo y la magnetostricción: respuesta magnética a un ímpetu mecánico; la fotoelasticidad: birrefringencia producida por tensión; el efecto acusto-óptico: birrefringencia producida por una onda acústica; el efecto electro-óptico: birrefringencia producida por un campo eléctrico y el efecto magneto-óptico: rotación del plano de luz polarizada (actividad óptica) causada por un campo magnético.

Concluiremos nuestro relato sobre los cristales y sus propiedades físicas describiendo una propiedad ampliamente utilizada en varios dispositivos, la piezoelectricidad, la cual consiste en la generación de polarización eléctrica debido a la aplicación de una fuerza mecánica externa. Los hermanos Curie, Pierre y Jacques descubrieron la piezoelectricidad en el cuarzo en 1880. El cuarzo es un mineral cristalino cuya fórmula química es SiO2, es decir, es óxido de silicio. Por el orden que tienen el silicio y el oxígeno en este cristal, pertenece al llamado sistema cristalino romboédrico. La forma cristalina más común del cuarzo tiene seis caras prismáticas (m) y seis caras piramidales (r y z), dependiendo de cómo se ubican las caras piramidales, se tiene la forma derecha o la forma izquierda. Cuando se aplica presión sobre algunas caras del cuarzo se generan dipolos eléctricos, con la polaridad indicada como se ilustra a continuación:

Apenas hace 102 años que la humanidad inició el estudio del orden cristalino a nivel microscópico, conocimiento que ha permitido entender las propiedades derivadas de ese orden en minerales, cristales orgánicos y cristales biológicos. Gracias a esta comprensión de la relación entre la estructura (orden) y las propiedades hoy tenemos el desarrollo tecnológico de una gran cantidad de dispositivos electrónicos, el diseño de fármacos, la preparación de nuevos materiales para uso eficiente de la energía, para la construcción, etcétera.  Tenemos el gran reto de acrecentar esa comprensión para que nuestra especie haga un mejor uso de los recursos naturales del maravilloso planeta que habitamos. ¡Bienvenidos todos los que quieran dedicarse al estudio de los cristales!

*emendoza@ifuap.buap.mx