La Organización de las Naciones Unidas para la Educación, la Ciencia y la Cultura UNESCO declaró este año, 2014 como el Año Internacional de la Cristalografía, pero ¿Qué es la Cristalografía, qué son los cristales y qué beneficios tiene la investigación de esta área del conocimiento en la vida cotidiana? ¿Sabías que los medicamentos, los cosméticos, la tecnología y los fertilizantes que se utilizan en la agricultura de los alimentos que consumimos diariamente son cristales?
Para aproximarnos a esta ciencia y al uso de los cristales, la doctora María Eugenia Mendoza del Instituto de Física de la Benemérita Universidad Autónoma de Puebla nos resuelve algunos cuestionamientos en la materia.
¿Qué es un cristal y cómo se diferencia de un vidrio de ventana?
Un cristal es un sólido en donde sus componentes —átomos, iones o moléculas— están ordenados periódicamente en el espacio y debido a ese arreglo es que tienen propiedades físicas y químicas especiales. En un vidrio que también es un sólido, el arreglo de sus componentes —átomos, iones o moléculas— es desordenado, la diferencia es fundamentalmente esa. Un cristal tiene orden de largo alcance o “infinito” mientras que un vidrio o amorfo, no tiene orden de largo alcance. La Cristalografía es la ciencia que estudia las estructuras de los cristales.
En algunos mercados se pueden encontrar cristales de calcita, ¿es verdad que son cristales?
Sí, la calcita es un mineral y casi todos los minerales son cristalinos, hay cristales naturales y cristales artificiales. La calcita es carbonato de Calcio, se encuentra como mineral a flor de tierra, también formando parte de la estructura de conchas de muchos animales marinos, las conchitas que recogemos en la playa, y es parte del cascarón del huevo de las aves, en estos dos últimos ejemplos, como el mineral se forma en un ser vivo se le llama biomineral.
En los cristales de calcita se ven dos imágenes, como si estuvieran bizcos ¿por qué es esto?
Los cristales tienen propiedades físicas que provienen del arreglo ordenado de sus componentes, esta propiedad física que tiene la calcita, se llama birefringencia, esto significa que cuando la luz entra al cristal se desdobla, viaja a diferentes velocidades en el interior del cristal y eso produce una imagen como si se viera doble, esta propiedad óptica se debe al arreglo ordenado de sus constituyentes.
¿La sal es un cristal?
La sal común que ingerimos es cloruro de Sodio y sí es un cristal. Si a un pedazo de sal que aparentemente es como un vidrio yo le hago un experimento de difracción de rayos X, voy a determinar que sí es un cristal porque se obtiene un conjunto de picos con una intensidad bien definida y en una posición angular bien definida, que se llaman patrones de difracción o difractogramas; como estos patrones son característicos para cada sustancia cristalina, son su huella digital.
¿De eso depende el uso que le podamos dar a los cristales?
Si entendemos cuál es la relación de ese arreglo espacial que se llama estructura con las propiedades que se derivan de esa estructura, entonces ya lo podemos usar como sensor, conductor o fármaco, por mencionar algunas aplicaciones. Lo importante de un cristal es su calidad, es decir que su orden sea lo más perfecto posible porque entonces sus propiedades podrán controlarse mejor.
¿Es verdad que los cristales se utilizan para relojes, cámaras fotográficas, calculadoras, pantallas de cristal líquido o computadoras? ¿Cómo es que funciona?
El arreglo ordenado de un cristal tiene 230 posibilidades de orden, lo que llamamos en Cristalografía, los grupos espaciales. Para cada uno de esos arreglos y dependiendo de quienes sean los componentes —átomos, iones o moléculas que estén ahí participando— es que va a tener ciertas propiedades.
Por ejemplo en electrónica importa mucho el transporte de electrones, éstos van a viajar más fácilmente por un cristal que por otro. En cualquier componente electrónico vamos a encontrar cristales que va a hacer la función de transporte electrónico o algunos de lo contrario, es decir, de aislantes, que evitan el paso de electrones.
Otro ejemplo típico de la relación entre la estructura y las propiedades es el Carbono. La parte que pinta en un lápiz, el grafito, está hecho del elemento químico Carbono y es muy suave ¿por qué los diamantes son tan duros si están hechos también de Carbono como el que se usa en un lápiz?
En ambos casos es Carbono y la diferencia en sus propiedades se debe a que tiene diferente estructura. El grafito, incluso si uno la toca es muy suave, también por eso podemos escribir, por eso vamos dejando pedacitos de carbón. En el grafito los átomos de carbono están arreglados en láminas hexagonales y separadas una de otra, son muchas plaquitas en paralelo. En cambio, en el diamante el Carbono ocupa los vértices de un cubo y en el interior del cubo hay otros cuatro átomos de Carbono, el arreglo es más complejo, los enlaces químicos son más fuertes, por eso el diamante es de los materiales más duros. La diferencia entre el Carbono-grafito y el Carbono-diamante es una cuestión de estructura.
Un ejemplo asombroso de cristales naturales gigantes es la Cueva de Naica en Chihuahua, son cristales de más de 4 metros de altura, de forma prismática que parecen de novela de ciencia ficción. ¿Cuánto tiempo tarda en formarse algo así?
A la naturaleza le ha tomado millones de años. Un área de la cristalografía, la cristalogénesis, se dedica al estudio del crecimiento cristalino de cristales artificiales, hay que aplicar conocimientos de física, química y cuando procede, bioquímica para controlar todo este proceso en tiempos humanos, o sea en tiempo cortos.
¿En qué asuntos de nuestra vida cotidiana usamos cristales?
Los cristales están en la naturaleza y los hemos usado para generar nuevos materiales. Desde los años 40 del siglo XX, toda la electrónica está basada principalmente en sólidos cristalinos, es decir no sería posible entender los celulares, televisores, computadoras, ultrasonidos, quirófanos e instrumental muy fino sin los cristales, en estos dispositivos la mayoría de las veces el corazón es un cristal.
En fuentes alternativas de energía como la energía solar, las celdas fotovoltaicas utilizan silicio cristalino y silicio amorfo para captar y almacenar la energía. Se continúa la búsqueda de materiales más eficientes que el silicio que puedan captar y almacenar mejor la energía del sol.
La cristalografía colabora en la elaboración de nuevos medicamentos. Se sabe que la actividad farmacológica de un medicamento depende de su estructura cristalina, porque resulta que hay sustancias que cristalizan en más de un arreglo espacial, en más de una estructura, pero sólo una de esas estructuras es la que sirve para combatir la enfermedad que queremos curar.
También se aplica la cristalografía en la restauración y preservación de obras artísticas invaluables para la humanidad; al momento de identificar qué pigmentos se usaron para tal pintura de tal época, es necesario conocer que estructura cristalina que tiene ese pigmento, y se fabrica un pigmento que se parezca lo más posible al que usó el artista original.
La Gemología es una rama de la Cristalografía que se dedica a estudiar las llamadas piedras preciosas naturales, como el rubí, la esmeralda, el diamante, etcétera, y que ahora también pueden ser fabricadas artificialmente; existe toda una industria a nivel mundial de muchos millones de dólares, hay todo un mercado; por ejemplo, la gente compra zirconia que es un óxido de zirconio que puede reflejar la luz como el diamante.
En la agricultura, los fertilizantes son cristales que van a ser mucho más eficientes y van a tener más disponibilidad de reacción en el medio acuoso —porque normalmente también hay que ponerlos en solución— bajo ciertas estructuras cristalinas.
Hasta en los alimentos, la calidad y el sabor de la azúcar morena, blanca, o los helados depende de cómo se haya hecho el cristal y esto va a cambiar el cómo nuestro organismo percibe y disfruta mejor esos sabores.
Los cristales son maravillosos porque tienen una gran cantidad de propiedades físicas y químicas debido a su estructura, esas propiedades son las que los hacen únicos.
