Que los científicos detecten átomos o moléculas que componen todo lo que nos rodea, desde un copo de nieve hasta el ADN es gracias, en parte, a una curiosa e interesante rama de la ciencia que nació en el siglo XVII.
Se llama Cristalografía y sí, es la ciencia que estudia los cristales. Pero quizás lo que muchos no sepan es que se trata de ir más allá de admirar las formas o colores de un cristal, ya que su verdadero poder radica en su capacidad para revelar la estructura íntima de la materia, ya sea viva o inanimada.
La palabra “Cristalografía” significa literalmente “descripción de los cristales”. El término “cristal” proviene del griego “krystallos”, que combinaba “frío” y “goteo”, y se usaba para referirse al cuarzo. Desde hace milenios, los cristales han capturado la atención humana por su belleza externa y sus patrones de repetición. Los sumerios los usaban en fórmulas mágicas, los chinos en medicina tradicional y los egipcios como joyas o cosméticos.
Tras esos usos, la Cristalografía comenzó a formarse como ciencia en los siglos XVII y XVIII. En aquel entonces, se centraba exclusivamente en el estudio de la morfología, es decir, el aspecto externo de los cristales, principalmente minerales. El siglo XIX trajo la sistematización matemática de la simetría. Pero persistía la pregunta acerca de qué forma tienen las moléculas y qué posiciones ocupan los átomos dentro de un cristal. Los microscopios ópticos y la luz visible no podían revelar detalles tan pequeños como los átomos.
Disciplina clave
A finales del siglo XIX, el descubrimiento de los rayos X transformó el campo de la Cristalografía, convirtiéndola en una disciplina clave para la Mineralogía, la Física, la Química, la Biología y la Biomedicina. Y ya en 1912 y de la mano de Max von Laue descubrió el fenómeno de la difracción de rayos X por los cristales, estableciendo que los cristales tienen una estructura interna ordenada y regular, actuando como rendijas de difracción con dimensiones equivalentes a la longitud de onda de los rayos X. También se descubrió que el patrón de difracción debía contener información sobre la posición relativa de los átomos en el cristal. Este fue un avance revolucionario que permitió conocer la estructura atómica de materiales sencillos como el cloruro sódico (sal común) o el sulfuro de cinc.
Con el tiempo y gracias a la Cristalografía hoy se puede producir materiales con propiedades prediseñadas, desde catalizadores industriales hasta materiales quirúrgicos de alta dureza o componentes de aviones; desvelar los secretos del ADN; diseñar fármacos basándose en el conocimiento de las estructuras moleculares; comprender y modificar enzimas o entender el funcionamiento de los antibióticos gracias al conocimiento de la estructura del ribosoma.
La interacción de los rayos X con los átomos de un cristal produce un patrón de difracción, una especie de ‘huella digital’ característica de cada sustancia cristalina. Para ‘ver’ los átomos es necesario descifrar la información contenida en este patrón.
Cuando las ondas de rayos X atraviesan el cristal, interfieren entre sí, sumándose o restándose, para generar nuevas ondas resultantes que se desvían del haz original. Estas ondas resultantes, que impactan la placa fotográfica y crean los ennegrecimientos del patrón de difracción, dependen directamente de las posiciones relativas de los átomos. Cada onda resultante se caracteriza por una amplitud (intensidad) y una fase relativa.
Las intensidades se pueden medir fácilmente del patrón de difracción. Sin embargo, no existe un método experimental directo para medir las fases relativas de las ondas. Esta es la razón por la que determinar la estructura interna de los cristales se asemeja a resolver un “puzzle”. Aun así, a lo largo del siglo XX, los cristalógrafos han desarrollado ingeniosos métodos para resolver este “problema de la fase”, abriendo una ventana sin precedentes a la comprensión del mundo molecular y atómico que subyace a toda la materia.