El cristal, la red tridimensional natural de difracción

Revista Cubana de Química

versión On-line ISSN 2224-5421

Rev Cub Quim vol.27 no.2 Santiago de Cuba Mayo.-ago. 2015

 ARTICULO 

El cristal, la red tridimensional natural de difracción

Crystal, the natural three-dimensional diffraction grating

Dr. C. Armando Augusto Paneque-Quevedo

Departamento de Química Inorgánica, Universidad de La Habana, Ciudad de la Habana, Cuba, aapaneque@quimica.uh.cu

RESUMEN

La vasta información estructural obtenida a partir de los estudios de los materiales cristalinos se puede considerar el pedestal de los grandes descubrimientos logrados por la ciencia desde principios del siglo XX. Como reconocimiento a estos aportes se ha concedido un total de 29 Premios Nobel, y por su importancia, la Asamblea General de Naciones Unidas proclamó el 2014 "Año Internacional de la Cristalografía". La materia cristalina, aunque no perfecta, continuará siendo la red natural para difractar los rayos-X. El cristal seguirá constituyendo el medio donde encontrar la información más precisa, a partir de la cual continuemos construyendo materiales; la base de información para realizar estudios estructura-actividad y explicar la reactividad química y propiedades catalíticas de muchas sustancias de interés. Con este trabajo se pretende resaltar los logros más importantes y reconocer los aportes de todos los que han trabajado en esta área del saber científico.

Palabras clave: rayos X, cristalografía, estructura, sólidos, simetría.

ABSTRACT

The vast structural information obtained from studies of crystalline materials can be considered the pedestal of the great discoveries made in science since the early twentieth century. As recognition for these contributions have been awarded a total of 29 Nobel Prizes and its importance, the United Nations General Assembly proclaimed 2014 the "International Year of Crystallography". The crystalline material, although not perfect, will continue to be, the natural diffraction to diffract X-rays. Crystal will continue to be the medium in which to find the most accurate information from which to continue building materials, information base to s tructure-activity studies and explain the chemical reactivity and catalytic properties of many substances of interest. This paper aims to highlight the most important achievements and recognize the contributions of all those who have worked in this area of scientific knowledge.

Keywords: X-ray, crystallography, structure, solids, symmetry.

ARTÍCULO DE REVISIÓN

El conocimiento de las propiedades de una sustancia es clave para su identificación, caracterización y aplicabilidad en diversos campos científicos. Estas propiedades dependen de su composición química (naturaleza y proporción relativa de las especies químicas constituyentes) y de su estructura (disposición de sus entidades químicas en el espacio), pero realmente es la estructura la que, en última instancia, dicta las propiedades de las sustancias [1].

Lo anterior se constata al comparar el diamante con el grafito. El diamante, es uno de los materiales más duros que se conoce, en cambio, el grafito es tan suave, que se utiliza en la fabricación de lápices y como lubricante.

Las notables diferencias entre uno y otro se explican al analizar sus respectivas estructuras. En el diamante los átomos se ensamblan en una red compacta tridimensional; en el grafito están dispuestos en capas paralelas y basta con tan solo una pequeña fuerza para causar el deslizamiento de estas capas [1, 2].

El desarrollo alcanzado en diversos campos de la química, la física y la biología ha demostrado el papel determinante que juega la estructura en las propiedades de las sustancias. Un conocimiento exacto de la estructura permite explicar las propiedades de las sustancias y predecir aquellas aún desconocidas [3].

Las sustancias, comúnmente se clasifican en tres estados: gaseoso, líquido y sólido. Las únicas diferencias entre los tres estados de una misma sustancia son el movimiento térmico de sus partículas constituyentes y el grado de interacción entre estas.

En los sólidos, las partículas tienden a empaquetarse y formar lo que se conoce macroscópicamente como materia condensada. Estas pueden asumir una disposición al azar, dando lugar a los sólidos amorfos o líquidos sobrenfriados; sin embargo, una disposición ordenada es siempre más probable por corresponder al estado de menor energía. Esta disposición ordenada y periódica de átomos, iones o moléculas en el espacio se conoce como estado cristalino, y se denomina cristal a toda sustancia perteneciente a él [2].

La vasta información estructural obtenida a partir de los estudios de los materiales cristalinos se puede considerar el pedestal de los grandes descubrimientos logrados por la ciencia desde principios del siglo XX. Como reconocimiento a estos aportes se han concedido veintinueve Premios Nobel.

Entre estos lauros es obligado comenzar citando los reconocimientos otorgados a varios científicos, cuyos estudios fundamentales significaron un gran progreso en el desarrollo de la cristalografía actual; en esta categoría se incluyen los premios en Física a Max von Laue en 1914, quien llevó a cabo el primer experimento satisfactorio de difracción de rayos X y en 1915, a William Henry y Lawrence Bragg por la formulación de la ley de reflexión de los rayos X cuando inciden en una superficie cristalina; los premios en Química en 1936 a Peter Debye por sus contribuciones al conocimiento de las estructuras moleculares, y en 1985 para Herbert A. Hauptman y Jerome Karle, por el desarrollo de los métodos directos para la resolución de estructuras cristalinas [4-6].

En 1991 se le otorgó el Nobel de Física a P. G. Gennes por sus estudios sobre el orden de sistemas simples aplicados a cristales líquidos, lo que significó una ampliación conceptual de la cristalografía, y en el 2011 se le concedió el de Química a D. Schechtman por el descubrimiento de los cuasicristales. El adelanto más trascendente durante las décadas de los 60 y 70 fue el reconocimiento de la cristalografía de proteínas y de moléculas involucradas en procesos biológicos en general como área de investigación clave en la biología molecular.

El año 1962 marcó un hito al ser otorgados dos premios Nobel por los resultados obtenidos usando métodos cristalográficos en esta área: el premio Nobel de Química fue concedido a Max Perutz y John Kendrew por sus estudios cristalográficos de las proteínas hemoglobina y mioglobina, y el premio Nobel de Medicina a Francis Crick, James Watson y Maurice Wilkins por descubrir que el ADN forma una doble hélice [7]. En 1964, Dorothy Hodgkin también lo obtuvo por la determinación de varias estructuras de importancia biológica, como la penicilina, la vitamina B12 y la insulina, entre otras [8].

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