Pasa inadvertida, pero la ciencia que estudia los cristales, la cristalografía, es de vital importancia para la mejora de nuestra calidad de vida.
A lo largo de toda mi formación y consulta de referencias no he encontrado una mejor manera para describir el papel de la cristalografía y ponerla en valor como la que utilizó el laureado Max Perutz en su célebre discurso con motivo de su premio Nobel:
¿Por qué el agua hierve a 100°C y el metano a -161°C?, ¿por qué la sangre es roja y la hierba es verde?, ¿por qué el diamante es duro y la cera es blanda?, ¿por qué los glaciares fluyen y el hierro se endurece al golpearlo?, ¿cómo se contraen los músculos?, ¿cómo la luz del sol hace que las plantas crezcan y cómo los organismos vivos han sido capaces de evolucionar hacia formas cada vez más complejas? … Las respuestas a todos estos problemas han venido del análisis estructural.
Breve, conciso y eficaz. Tan eficaz que podría acabar este post en esta línea y el lector que desconocía esta ciencia ya tendría un claro concepto sobre la cristalografía y el análisis estructural. Pero permítanme explayarme. Esta ciencia lo merece.
Definámosla. La cristalografía es la ciencia experimental que estudia la disposición de los átomos en la materia cristalina, en los cristales, y las leyes que gobiernan su crecimiento. Lo que nos lleva a la definición de cristal: cualquier material cuyos átomos iones y/o moléculas estén ordenados en el espacio. Ese ordenamiento de los átomos se extiende en las tres dimensiones del espacio y se rige por una operaciones de simetría, algo que podemos predecir por operaciones matemáticas, algebraicamente.
De acuerdo, las bases están claras, pero, ¿dónde observamos este tipo de estructuras? El ser humano se los encontró por primera vez en los minerales, los cristales por antonomasia. Las geometrías y colores que presentan los minerales en la naturaleza han fascinado al ser humano desde sus orígenes (y siguen haciéndolo). De hecho la cristalografía nace como una rama de la mineralogía, aunque hoy en día es una ciencia aparte por su importancia en otras muchas ciencias como la biología, la física, la química, las matemáticas… Los “culpables”: los rayos X. Hagamos un flashback para entender esto.
Hace algo más de un siglo, se sabía que la materia se componía de átomos pero no se sabía cómo estaban organizados dentro de ella. A finales del siglo XIX y principios del XX se sucedieron una serie de descubrimientos que, sin exagerar, cambiaron el mundo a como lo conocemos hoy en día. En 1985 Wilhelm Conrad Röntgen, mientras realizaba experimentos con rayos catódicos descubrió que una de sus láminas de cartón, impregnada con cianuro de plata y bario mostraba una fluorescencia curiosa tras exponerse a una radiación invisible. Indagó en este tipo de radiación desconocida, que bautizó como rayos X, y demostró el gran interés de ésta para aplicaciones médicas obteniendo la primera radiografía de la historia de la mano de su mujer que, según dicen, al ver la imagen del esqueleto de su propia mano, se sintió cercana a la muerte.
El descubrimiento dio la vuelta al mundo y le valió el Premio Nobel de física al bueno de Röntgen. Varias personas aplicaron este nuevo tipo de radiación que atravesaba los cuerpos opacos para conocer cuál era la estructura de los materiales, como el caso de Max Von Laue o Paul Peter Ewald que experimentaron con rayos X sobre minerales, obteniendo los primeros patrones de difracción de rayos X. Pero no fue hasta 1912, cuando aparecen en escena los dos héroes que nos llevaron de su mano al interior de la materia fueron William Henry Bragg y William Lawrence Bragg, padre e hijo respectivamente.
Padre e hijo Bragg dieron a luz a la cristalografía moderna, la cristalografía de los rayos X mediante un sutil desarrollo matemático y experimentación con minerales como la halita. Consideraron que los átomos ordenados en planos en el interior de la estructura actuaban como espejos paralelos que reflejaban los rayos X que incidían sobre ellos, para impactar en una placa fotográfica donde los rayos X en fase daban lugar a patronos de difracción exclusivos de cada material. A este fenómeno se le conoce como difracción de rayos X. Estos patrones están relacionados con el orden interno de los átomos e interpretándolos podemos elaborar un modelo estructural de cualquier material cristalino.
Podría decirse que, si Röntgen, con su descrubrimiento de los rayos X, dio la luz, los Bragg la enfocaron al interior de la materia.
Este avance supuso no solo el Premio Nobel de física en 1914 para los Bragg, sino que supuso y aún supone una herramienta primordial para el progreso en diversos campos. Tanto es así, que mediante cristalografía de rayos X Rosalind Franklin obtuvo la famosa fotografía 51 que fue vital para el descubrimiento de la estructura de doble hélice de ADN, aunque lamentablemente no recibió ningún reconocimiento. Mediante cristalografía de rayos X la electrónica actual basada en semiconductores cristalinos ha avanzado y lo sigue haciendo de forma acelerada. Mediante cristalografía de rayos X, se obtienen nuevos materiales más estables, más resistentes y más baratos y nuevas tecnologías basadas en ellos. Mediante cristalografía de rayos X conseguimos comprender mejor el funcionamiento básico de nuestro organismo adentrándonos en la estructura de las proteínas. Mediante cristalografía de rayos X obtenemos nuevos medicamentos para eliminar enfermedades. Mediante cristalografía de rayos X el robot Curiosity que en estos momentos recorre Marte, analiza el terreno del planeta rojo. Podría seguir enumerando usos y aplicaciones de esta laureada disciplina hasta el infinito.
Por todo ello, en esta entrada y, por extensión, en esta web se pretende reivindicar esta ciencia, olvidada para el público general, que tanto ha hecho y hace por el progreso de nuestra especie. La cristalografía ha cambiado nuestras vidas y lo seguirá haciendo en los próximos años.
Cómo decía anteriormente, los cristales han fascinado al ser humano desde sus orígenes. Y es esa fascinación por estos materiales la que mueve el progreso de esta ciencia y, por lo tanto, nuestra especie.
PD: 2014 fue declarado por las Naciones Unidas como el año Internacional de la Cristalografía (IYCr) y con motivo de ello se llevaron a cabo miles de actividades de divulgación por todo el mundo. Entre todas ellas, se realizaron algunos vídeos como los que os traigo, que explican esta ciencia de maravilla (subtítulos en castellano).
Referencias:
- Klein, C. S. Hurlbut Jr, Manual de mineralogía, basado en la obra de J. D. Dana, 4º edición, Ed. Reverté, Barcelona, 2006.
- García, C. García., Rev. Chil. Radiol., 2005, 11, 179-181.
- M. Martínez Ripoll, J. A. Hermoso, A. Albert, A través del cristal, Ed Catarata, CSIC, 2014.
- https://en.wikipedia.org/wiki/Photo_51
- https://letamendi.wordpress.com/tag/anna-bertha-rontgen/