Cristalografía: Definición, métodos y difracción de rayos X

¿Qué es la cristalografía?

La cristalografía es la ciencia de las estructuras en estado sólido que arroja luz sobre la disposición tridimensional altamente ordenada de los átomos en un sólido cristalino. Los sólidos cristalinos se definen por una disposición regular y bien definida de átomos, iones o moléculas en unidades repetidas idénticas llamadas celdas unitarias. Desentrañar esta disposición es crucial para comprender las relaciones estructura-propiedad de los materiales. Las interacciones de los haces ionizantes (como los rayos X y los electrones o neutrones acelerados) con los cristales están determinadas por las identidades y disposiciones de los átomos constituyentes, lo que produce distintos patrones de difracción que pueden analizarse para revelar la composición atómica y la estructura molecular del material. La cristalografía explota estas interacciones entre haces ionizantes y sólidos cristalinos para dilucidar estructuras moleculares de materiales tanto naturales como artificiales.

El origen de la cristalografía moderna se remonta a 1912, cuando Max von Laue descubrió la difracción de rayos X en cristales. Tras este descubrimiento innovador, en 1913, Sir William Henry Bragg y William Lawrence Bragg informaron sobre la utilidad de los patrones de difracción de rayos X para determinar las posiciones de los átomos en estructuras cristalinas. Este desarrollo revolucionó el estudio de las estructuras moleculares y fue pionero en la cristalografía moderna. En la actualidad, la cristalografía se aplica en diversos campos de estudio, incluida la biología estructural, la ciencia de los materiales, la química y la física.

Principios de cristalografía

La utilidad de la cristalografía en el estudio de la estructura cristalina reside principalmente en tres principios. Estos son los siguientes:

• Estado cristalino: Un material en estado cristalino posee una disposición característica regular y bien definida de sus átomos constituyentes. Un haz ionizante que pasa a través de un cristal con una disposición tan regular de átomos sufre difracción.
• Formación de patrones de difracción: la dispersión de un haz de radiación incidente en direcciones específicas por parte de un cristal se denomina difracción. La interacción entre un haz ionizante y un sólido cristalino produce patrones de difracción característicos, dependiendo de las identidades y disposiciones de los átomos constituyentes.
• Análisis del patrón de difracción: El patrón de difracción producido por la interacción entre un haz ionizante y un sólido cristalino se analiza mediante la ley de Bragg, la transformada de Fourier y el modelado computacional. El análisis revela las disposiciones e identidades de los átomos en la estructura cristalina.

En cristalografía se utilizan tres tipos de haces de radiación: rayos X, electrones y neutrones. Si bien los tres tipos de radiación producen difracción dependiendo de la disposición atómica regular en la estructura cristalina, cada uno posee propiedades características que los distinguen. A continuación se muestra una breve descripción de los tres tipos de radiación utilizados en cristalografía:

• Rayos X: los rayos X se difractan en diversos grados al encontrar diferentes átomos, dependiendo de sus densidades de electrones de valencia. Esta propiedad se aprovecha en la cristalografía de rayos X. Sin embargo, la cristalografía de rayos X requiere grandes cristales en estado sólido para determinar las estructuras moleculares.
• Electrones: Tanto los núcleos atómicos como los electrones de valencia influyen en la difracción de los electrones incidentes, haciéndolos más sensibles que los rayos X. La cristalografía electrónica se puede utilizar para determinar estructuras moleculares utilizando cristales pequeños.
• Neutrones: Las fuerzas nucleares de los núcleos atómicos determinan la difracción de neutrones. La difracción de neutrones es útil para determinar las posiciones de los átomos de hidrógeno. Sin embargo, requiere cristales mucho más grandes que la cristalografía de rayos X.

De estas tres, los rayos X son la radiación más antigua y más utilizada en cristalografía. Los patrones de difracción de rayos X están determinados por la disposición atómica, la simetría y las distancias interatómicas en las estructuras cristalinas.

Papel de un cristalógrafo

Un cristalógrafo es un experto que se dedica al estudio de estructuras cristalinas. Los cristalógrafos investigan las estructuras de los cristales y determinan las disposiciones atómicas que contienen, y desempeñan un papel vital en la investigación. En el laboratorio, los cristalógrafos realizan funciones básicas como purificar, cristalizar y caracterizar materiales; recopilar, analizar y visualizar datos de experimentos de cristalografía; y contribuir al desarrollo de software y hardware para modelar estructuras cristalinas. Para analizar y visualizar datos, los cristalógrafos primero examinan los patrones de difracción utilizando algoritmos de búsqueda de picos para identificar los átomos constituyentes en una estructura cristalina. Luego, resuelven el problema de fase para determinar las fases atómicas, seguido de la construcción y refinamiento de modelos atómicos y la visualización utilizando software especializado como Mercury y PyMOL.

Métodos de cristalografía

Los diferentes métodos utilizados en cristalografía se enumeran a continuación:

• Difracción de rayos X de monocristal: utilizando rayos X, se investiga la disposición periódica de los átomos y se genera un mapa tridimensional de densidad electrónica de la estructura cristalina basándose en el patrón de difracción.
• Difracción de rayos X en polvo: el patrón de difracción de rayos X producido por cristales en polvo se analiza para identificar fases, determinar parámetros de celda unitaria y estudiar la textura cristalográfica.
• Difracción de neutrones: las estructuras cristalinas se exponen a un haz de neutrones y el patrón de difracción resultante se analiza para determinar las disposiciones atómicas y las fases en la estructura cristalina.
• Difracción de electrones: un haz de electrones que incide sobre un cristal produce un patrón de difracción que se puede visualizar con un microscopio electrónico.

Tras la obtención de múltiples imágenes de patrones de difracción, se identifican los patrones geométricos y los átomos constituyentes. Posteriormente, se realizan correcciones de absorción y escala, seguidas de la fase de resolución de problemas. A continuación, se obtiene un mapa de densidad electrónica para modelar la estructura atómica. Utilizando métodos como la máxima verosimilitud y el recocido simulado, este mapa se somete a un mayor refinamiento para mejorar las fases y el modelo determinados inicialmente. Finalmente, el modelo atómico de la estructura cristalina se somete a estudios de validación.

En el estudio de los cristales, los sincrotrones desempeñan un papel indispensable. Los sincrotrones son aceleradores masivos de partículas que producen intensos rayos X utilizados en cristalografía de rayos X. Antes del desarrollo de la cristalografía de rayos X, el estudio de los cristales implicaba investigaciones de sus geometrías, como la medición de ángulos con respecto a ejes cristalográficos teóricos y la determinación de simetría.

Importancia de la cristalografía

La cristalografía ha mejorado enormemente la comprensión de las estructuras atómicas de los materiales. Tiene aplicaciones en una amplia gama de campos, incluidas la ciencia de materiales y la biología.

• Ciencia de los materiales: la cristalografía proporciona una comprensión fundamental de las propiedades de un material y sus posibles aplicaciones. Las disposiciones atómicas en las estructuras cristalinas de un material forman la base de sus rasgos característicos. Por tanto, la cristalografía es fundamental para la caracterización de materiales, particularmente en términos de relaciones estructura-propiedades. En materiales artificiales, el papel de la cristalografía se amplifica aún más, ya que también es necesaria para el diseño y desarrollo de dichos materiales.
• Identificación de fases: en un sólido cristalino, la fase se refiere a una disposición atómica tridimensional en un patrón regular. La identificación de fases es fundamental en el estudio de materiales nuevos y no identificados, ya que ayuda a desentrañar sus propiedades y composiciones. La cristalografía juega un papel clave en la identificación de fases, permitiendo así la caracterización del material.
• Biología: Las contribuciones de la cristalografía a la biología son inmensas. La cristalografía de rayos X ha dado lugar a descubrimientos revolucionarios en las ciencias biológicas, incluido el de la estructura del ADN de doble hélice realizado por Rosalind Franklin. Ha avanzado en la comprensión científica de numerosos procesos biológicos y enfermedades, además de haber ayudado al diseño y desarrollo de varios fármacos. Más recientemente, la cristalografía de neutrones ha surgido como una poderosa herramienta para dilucidar las interacciones proteína-ligando, patrones de enlaces de hidrógeno y ubicaciones precisas de todos los átomos en las moléculas biológicas.

Resumen de la lección

El estudio de la disposición tridimensional altamente ordenada de los átomos en sólidos cristalinos (una disposición regular de átomos, iones o moléculas en celdas unitarias) se define como cristalografía y su historia se extiende por más de un siglo. Los expertos asociados al estudio de los cristales se conocen como cristalógrafos. Los principios básicos de la cristalografía incluyen la estructura cristalina, la difracción (dispersión de la radiación incidente por el cristal) y el análisis del patrón de difracción. En cristalografía se utilizan ampliamente tres tipos de radiación: rayos X, electrones y neutrones. Al desentrañar las disposiciones atómicas en la estructura cristalina de un material, la cristalografía aclara sus relaciones estructura-propiedad. La cristalografía se aplica a diferentes campos de estudio, incluidas la ciencia de materiales y la biología. Los avances en las técnicas cristalográficas desempeñarán un papel importante en la ampliación de la comprensión científica de diversos materiales.

Rodrigo Ricardo Editor y fundador