Sobre las estructuras cristalinas
Una de las cosas que tiene vivir con un sincrotrón al lado ha sido que me ha despertado un gran interés por la determinación de estructuras cristalinas y cómo ese conocimiento ha ido evolucionando a lo largo del tiempo.
Para la mayoría de las personas el concepto de cristal se asocia con el cristal de una ventana, lo cual no deja de ser curioso porque, mientras en ciencia un cristal es una sustancia cuya estructura se repite periódicamente en tres dimensiones, el cristal de una ventana es, en la mayoría de los casos, un vidrio, una estructura que carece de orden a largo alcance.
Las sustancias cristalinas como las gemas o las piedras preciosas han tenido históricamente mucha importancia cultural. Por ejemplo, en su Historia Natural, Plinio describe la apariencia de varios cristales conocidos en la época romana. Textos en China del siglo XVI describen colecciones de minerales conocidos. Sin embargo, hasta el siglo XVII no hay constancia escrita de que nadie se plantee la estructura de estos cristales (aunque sí el origen, Plinio describe el cuarzo como un cristal de hielo que se ha congelado a una temperatura tan baja que no se puede fundir).
En el siglo XVII, nombres conocidos como Kepler o Huygens comenzaron a especular que los cristales estaban compuestos de unidades estructurales. Kepler escribió un ensayo sobre las formas de los copos de nieve donde especula que las formas geométricas de los cristales de hielo son la consecuencia del empaquetamiento regular de partículas esféricas. Luego Hooke y Huygens propondrían ideas parecidas, mientras que Nicolas Steno demostró en 1669 que los ángulos entre las facetas de un cristal permanecen constante independientemente de su tamaño o su forma, lo que le hizo concluir que los cristales crecen preferencialmente en ciertas direcciones, lo que les permite preservar su forma.
Sin embargo no fue hasta finales del siglo XVIII que Haüy, en su Essai d'une théorie sur la structure des crystaux, propone que los cristales están compuestos de unidades estructurales que se repiten en el espacio como forma de explicar el hecho de que, al romperse un cristal de calcita, los fragmentos preservan la misma forma. Los trabajos de Frankenheim en 1826 y luego Bravais en 1848 determinaron que sólo hay 14 simetrías compatibles con estructuras periódicas en tres dimensiones. El trabajo de Frankenheim fue principalmente empírico, mientras que Bravais, que identificó el número correcto (14 frente a las 15 de Frankenheim), usó una aproximación matemática al problema. Cada celda unidad puede estar compuesta por múltiples átomos con su propia simetría. Fyodorov en 1891 determinó que en total hay 230 grupos espaciales de simetría compatibles con redes de Bravais.
Para poder demostrar experimentalmente que los cristales tienen una estructura periódica hubo que esperar al descubrimiento de los rayos X. En 1912, Max von Laue propone que si los cristales son estructuras periódicas, debería observarse la difracción de los rayos X, lo cual demuestra experimentalmente. Un año más tarde, en 1913, se produce un avance fundamental en nuestra forma de entender la materia: en un artículo titulado The Structure of Some Crystals as Indicated by their Diffraction of X-rays, Lawrence Bragg usa la interacción entre los rayos X y un monocristal para determinar la estructura del cloruro sódico, incluyendo la posición de los átomos de sodio y cloro. La interpretación de los datos experimentales requiere dos suposiciones fundamentales: 1) la materia está compuesta por átomos y 2) los átomos en un cristal están dispuestos de manera periódica de manera que una unidad estructural, llamada la celda unidad, se repite en las tres dimensiones.
La resolución de la estructura del cloruro de sodio no demuestra por sí misma la existencia de los átomos: lo que hace es demostrar que la hipótesis atómica permite interpretar con gran precisión la forma en la que los rayos X interaccionan con la materia. Por tanto, cualquier persona que presente una hipótesis alternativa tiene que poder predecir los espectros de difracción al menos con la misma precisión que la hipótesis atómica.
A partir de 1913 se desata una carrera para determinar la estructura cristalina de todos los sólidos conocidos. Cien años más tarde, usando métodos y herramientas más refinadas pero basadas en los mismos principios de Bragg, se han determinado más de un millón de estructuras cristalinas de diferentes materiales. Los mismos métodos se usan también para la determinación de estructuras de moléculas, siempre y cuando se pueda conseguir un cristal lo suficientemente puro y homogéneo. Esto contribuyó a impulsar el interés por las técnicas de cristalización, cómo conseguir que del estado líquido o a veces gaseoso se pueda crecer un cristal lo más puro y con mayor calidad posible. Y de ese conocimiento práctico vienen los ordenadores, las celdas solares, las luces LED, y el diseño y síntesis de nuevos fármacos, todos ellos basados en nuestra habilidad de crecer monocristales.
La ventaja de "vivir" al lado de un sincrotrón es que nos permite fácilmente diseñar y traer cámaras de deposición para el crecimiento in situ de los materiales usando diferentes técnicas de rayos X. La idea no es tanto determinar estructuras que no se conocen, como en el caso de Bragg, sino entender cómo evolucionan los materiales y se desarrollan estas estructuras cristalinas durante el proceso de crecimiento.