Cristalografía y rayos X en Ciencias de la Tierra: ¿por qué?, ¿para qué?, ¿cómo?

Cuando pensamos en todo lo material que nos rodea, normalmente lo hacemos desde un punto de vista macroscópico, es decir, pensamos en lo que podemos ver con nuestros ojos. Pero tal vez algunas personas se pregunten ¿qué constituye todo lo material que podemos ver, incluso lo que no vemos, pero está ahí? Bueno, la respuesta es fácil y a la vez muy compleja. Como bien saben ustedes, todo material, ya sea sólido, líquido o gas, está constituido a nivel íntimo, microscópico, por átomos, que son la unidad mínima que forma toda la materia. Existen materiales muy simples como los gases oxígeno e hidrógeno, cada uno de ellos constituidos únicamente por dos átomos iguales, y que, aunque simples, son primordiales para la vida. Pero no todo iba a ser simple en este Universo complejo que nos rodea. Por ello, existen materiales constituidos por multitud de átomos, a veces miles de ellos que se enlazan mediante multitud de diferentes combinaciones posibles.

En el Laboratorio de Estudios Cristalográficos del Instituto Andaluz de Ciencias de la Tierra del CSIC, grupo de investigación al que pertenezco, estudiamos diferentes temáticas relacionadas con nuestra querida Tierra, y entre todas ellas, estudiamos los minerales, cómo se forman, cómo crecen y cómo se ordenan los átomos en su interior. Aquí, en este preciso punto en el que los átomos se dan la mano los unos a los otros formando enlaces químicos y creando materia, es donde entran en juego la cristalografía y los rayos X.

La cristalografía es la rama de la ciencia que estudia los cristales, el estado ordenado de la materia que posee unas propiedades muy particulares que los científicos aprovechamos para estudiar cómo se distribuyen los átomos en su interior, lo cual tiene un impacto directo en las propiedades de la materia. Todos los materiales están constituidos por átomos, y en algunos materiales y en unas condiciones concretas, estos átomos se ordenan de formas muy peculiares mediante patrones repetitivos, formando lo que los científicos llamamos cristales. Precisamente el orden, la repetición de un patrón de ordenamiento de esos átomos enlazados, es lo que caracteriza a los cristales y les otorga unas interesantísimas propiedades, como la capacidad de interaccionar con ondas electromagnéticas de maneras particulares, dando lugar a fenómenos como el de la difracción o la birrefringencia.

Ahora bien, el título de este artículo habla de rayos X y de “¿por qué?, ¿para qué?, ¿cómo?”. Pues bien, los rayos X son una de las herramientas más fundamentales que tienen los cristalógrafos (los que estudiamos los cristales) para conocer cómo se ordenan los átomos dentro de un cristal. Podemos estudiar esto porque los rayos X y los cristales se llevan muy pero que muy bien, debido a que la longitud de onda (λ) de la radiación X es muy similar a las distancias que separan a los átomos en los enlaces químicos. Gracias a esta semejanza de distancias, los rayos X, a través del fenómeno de difracción (que sólo se produce cuando interaccionan con un sólido con orden interno; cristal) nos permiten estudiar cómo se ordenan los átomos en el interior de los cristales, pudiendo obtenerse información que desvele del patrón de repetición.

El fenómeno de la difracción

La difracción de rayos X es un fenómeno (Premio Nobel de Física a Max von Laue, 1914, por el descubrimiento del fenómeno de la difracción) por el que, en unas determinadas condiciones, un cristal provoca interferencias de onda constructivas al ser irradiado con un haz de rayos X. Se dan estas condiciones únicamente cuando se cumple la igualdad matemática descrita por la Ley de Bragg (n·λ=2·d·senθ), que les valió el Premio Nobel de Física en 1915 a W.H. Bragg y W.L. Bragg, padre e hijo. Básicamente, la Ley de Bragg postula que cuando se tiene un cristal constituido por una serie de planos formados por átomos ordenados, y separados entre sí por una distancia d, se da la circunstancia de que a un ángulo de incidencia concreto (θ) del haz de rayos X, se cumple esta igualdad matemática, y entonces el cristal interacciona con el haz de rayos X de forma constructiva emitiendo una onda que podemos recoger mediante un detector, y que contiene información detallada del ordenamiento atómico dentro de ese cristal, permitiéndonos desvelar la estructura cristalográfica del material.

Pero ahora ustedes dirán, ¿por qué nos interesa saber cómo se ordenan los átomos dentro de los cristales?. Y yo les diré que es una muy buena pregunta, e intentaré responderla. Del ordenamiento interno de los átomos en un material cristalino, dependen sus propiedades macroscópicas, las que podemos ver o apreciar. Les pondré un ejemplo muy concreto que todos entenderán.

¿Qué diferencia al diamante y al carbón? Pues en cuanto a composición química (los átomos que lo forman) no hay ninguna diferencia, y ambos están formados únicamente por átomos de carbono. Pero, como ustedes bien saben, los usos, propiedades y valor del carbón y el diamante distan mucho entre sí.

La diferencia entre ellos es el orden interno, cómo se ordenan esos átomos de carbono en uno y otro material. En el caso del carbón, los átomos de carbono no siguen un patrón ordenado, no forman cristales, en cambio, en el diamante, los átomos de carbono están perfectamente ordenados siguiendo un patrón que se repite y que le otorga unas propiedades muy particulares, como son su dureza, su brillo y en última instancia, su gran valor.

¿Y si comparamos el diamante con el grafito? Pues también ambos están constituidos por carbono, y ambos forman cristales que siguen patrones ordenados, la diferencia entre ellos estriba en la manera en la que se unen los átomos de carbono entre sí, es decir, en la forma del patrón que se repite, que hace que el diamante sea superduro, y el grafito superblando, tanto que lo usamos en las puntas de los lápices.

Por todo ello, la cristalografía es una ciencia sumamente importante en las Ciencias de la Tierra, así como en otros muchos campos científicos como la Ciencia de Materiales o la Biomedicina, entre otros, ya que nos permite estudiar de manera íntima los materiales, su estructura, y cómo esta afecta a sus propiedades

Cuando pensamos en todo lo material que nos rodea, normalmente lo hacemos desde un punto de vista macroscópico, es decir, pensamos en lo que podemos ver con nuestros ojos. Pero tal vez algunas personas se pregunten ¿qué constituye todo lo material que podemos ver, incluso lo que no vemos, pero está ahí? Bueno, la respuesta es fácil y a la vez muy compleja. Como bien saben ustedes, todo material, ya sea sólido, líquido o gas, está constituido a nivel íntimo, microscópico, por átomos, que son la unidad mínima que forma toda la materia. Existen materiales muy simples como los gases oxígeno e hidrógeno, cada uno de ellos constituidos únicamente por dos átomos iguales, y que, aunque simples, son primordiales para la vida. Pero no todo iba a ser simple en este Universo complejo que nos rodea. Por ello, existen materiales constituidos por multitud de átomos, a veces miles de ellos que se enlazan mediante multitud de diferentes combinaciones posibles.

En el Laboratorio de Estudios Cristalográficos del Instituto Andaluz de Ciencias de la Tierra del CSIC, grupo de investigación al que pertenezco, estudiamos diferentes temáticas relacionadas con nuestra querida Tierra, y entre todas ellas, estudiamos los minerales, cómo se forman, cómo crecen y cómo se ordenan los átomos en su interior. Aquí, en este preciso punto en el que los átomos se dan la mano los unos a los otros formando enlaces químicos y creando materia, es donde entran en juego la cristalografía y los rayos X.