CRISTALOGRAFÍA: CIEN AÑOS EN LA ERA MODERNA

Escrito por Alfredo Raya Montaño y Saúl Fernando Hernández Ortiz

La ciencia de los materiales siempre ha moldeado, impulsado y revolucionado la sociedad desde los albores de la humanidad. Es a principios del siglo XX cuando se empieza a estudiar de forma sistemática. Por ejemplo, se comenzó con la observación de que entre la gran variedad de elementos y compuestos que se encuentran en la naturaleza, muchos de ellos tienen una estructura cristalina, es decir que sus átomos se estructuran de forma periódica con una “célula o núcleo primordial” que se repite una y otra vez. Esta noción es sumamente relevante, pues conociendo la posición de un átomo en una parte del material y al conocer la estructura cristalina del compuesto se pueden localizar las posiciones del resto de los átomos del material y con ello determinar muchas de sus propiedades incluso antes de realizar experimentos con ellos.

Recientemente, se han desarrollado técnicas para que en los laboratorios se desarrollen nuevos compuestos que, en la terminología especializada, se crezcan como cristales. Año con año se descubren y/o desarrollan nuevos materiales cristalinos algunos de los cuales, al ser utilizados en dispositivos con tecnología de punta, desde celulares hasta estaciones espaciales, moldean, impulsan y revolucionan nuestra sociedad una vez más con tal rapidez que lo que parecía ciencia ficción hace algunas décadas, ahora es tecnología cotidiana, sin la cual nos sería imposible realizar las tareas más básicas. Actualmente, las capacidades tecnológicas con que cuentan algunos laboratorios permiten incluso manipular cristales bidimensionales, es decir, membranas cristalinas de un solo átomo de espesor, como el grafeno. Denominado como el material maravilla del presente siglo, es una estructura cristalina con forma de un panal de abejas, o sea, un hexágono --en cuyos vértices se encuentran átomos de carbono-- que se repite periódicamente hasta formar la membrana de este material. Se estima que el grafeno podría reemplazar al silicio en dispositivos nanoelectrónicos.

La célula o celda unitaria es la estructura que se repite en todas direcciones del cristal, especificando las posiciones de los átomos del compuesto. Entonces, los cristales se clasifican según las propiedades de simetría de la celda unitaria. Estas propiedades de simetría también se manifiestan en ocasiones en simetrías macroscópicas de los cristales, como formas geométricas o planos de fractura. Así, un sólido cristalino se construye a partir de la repetición de la celda unitaria en función de los parámetros de la red, es decir, las longitudes de los lados y de los ángulos que forman las líneas imaginarias que se trazan entre los átomos. Se distinguen así siete sistemas cristalinos:

En el caso de cristales bidimensionales, tenemos solamente los sistemas cristalinos cuadrado, rectangular, hexagonal y oblicuo, con características similares a sus contrapartes tridimensionales.

La cristalografía es la ciencia que se dedica al estudio y resolución de estas estructuras cristalinas. Esta disciplina está presente en nuestro día a día. No se trata solo de preciosas y brillantes geodesias que decoran nuestros recintos o los caros diamantes incrustados en anillos y collares. Nos encontramos cristales presentes en todas partes en nuestra vida cotidiana, por ejemplo, en la sal de mesa, en el desarrollo de fármacos modernos, la nanotecnología y la biotecnología, y apunta al desarrollo de nueva tecnología, desde pasta de dientes a pantallas de cristal líquido.

El 3 de julio de 2012 en la 121 sesión plenaria de la Asamblea General de las Naciones Unidas se proclamó el año 2014 como el Año Internacional de la Cristalografía, IYCr por sus siglas en inglés, reconociendo que la comprensión de la naturaleza material de nuestro mundo se basa, en particular, en el conocimiento de la humanidad sobre la cristalografía. Entre otros puntos, la decisión conmemora el centenario del inicio de la era moderna de esta disciplina y la relevancia de la difracción de rayos X como la herramienta más poderosa para la determinación de la estructura de la materia. Esta decisión estuvo basada también en la importancia de los logros científicos de la cristalografía, como dan cuenta los veintitrés Premios Nobel otorgados en el área. Además, la cristalografía es todavía un terreno fértil para nueva y prometedora investigación fundamental.

Por todo esto, el año pasado, la UNESCO promovió acciones en todos los niveles, encaminadas a aumentar la sensibilización del público acerca de la importancia de la cristalografía y la promoción de un acceso generalizado a los nuevos conocimientos y actividades de esta fascinante disciplina, considerando al 2014 como el Año Internacional de Cristalografía. Ésta es la motivación detrás de la presente contribución, que esperemos sea amena y despierte el interés del lector en esta disciplina cultivada en dependencias de la Universidad Michoacana de San Nicolás de Hidalgo.

Saúl Fernando Hernández Ortiz es Maestro en Ciencias en el Área de Física por el Instituto de Física y Matemáticas de la Universidad Michoacana de San Nicolás de Hidalgo y actualmente es estudiante de Doctorado en Física en la misma institución. Es autor de varios artículos publicados en revistas internacionales de prestigio.

El Dr. Alfredo Raya es Profesor e Investigador Titular “B” en el Instituto de Física y Matemáticas de la Universidad Michoacana de San Nicolás de Hidalgo. Es miembro del Sistema Nacional de Investigadores, Nivel II, Miembro Regular de la Academia Mexicana de Ciencias y Miembro Fundador de la Academia Michoacana de Ciencias. Es autor de más de 35 artículos en revistas internacionales de prestigio.