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Ciencia de andar por casa

Cristales de hielo, un original regalo navideño

Estos días son un momento ideal para volver la vista hacia los cristales, muy en particular hacia los bellísimos copos de nieve, al fin y al cabo, simples cristales de agua. 

Imágenes de copos de nieve
Imágenes de copos de nieve
Kenneth G. Libbrecht en www.snowcrystals.com

Los cristales han sido y son instrumentos vitales para el desarrollo de la ciencia, pues son puerta de entrada al descubrimiento de la forma y la estructura molecular de cualquier sustancia. Sin duda, este período navideño es un momento ideal para volver la vista hacia ellos, muy en particular hacia los bellísimos copos de nieve, al fin y al cabo, simples cristales de agua.

¿Qué relación puede existir entre la Navidad, los cristales y la ciencia? Pues bien, aunque no lo parezca, existe una sutil conexión que incluso alcanza al bienestar, presente y futuro, de nuestra sociedad.

Piensen ustedes en imágenes típicas de este periodo navideño o, en el fondo, de muchas de las ediciones televisivas de esta época de fiestas y cotillones. Seguro que en muchas de ellas aparecerá la nieve, y más en detalle seguro que aparecerán imágenes o representaciones de los bellos copos de nieve, que, curiosamente, no son otra cosa que simples y muy particulares cristales de uno de los más sencillos compuestos químicos: el agua. 

Otra de las constantes de la Navidad, espero que estén de acuerdo conmigo, son los regalos. Pues bien, el estudio de los cristales, realizado a lo largo de los cuatro últimos siglos, ha generado un extraordinario regalo, típico de Navidad, a nuestra sociedad, posibilitando ver a nivel atómico cualquier compuesto, desde una molécula extremadamente sencilla como la sal que usamos en la cocina, hasta la proteína más compleja del puñetero virus de la covid, que aún nos mantiene en vilo.

El regalo de Kepler

Justamente en la Navidad de 1611, nada más y nada menos que Johannes Kepler, matemático, astrónomo y filósofo destacado de la época, buscaba un regalo original que hacerle a su mecenas, el emperador Rodolfo II. Paseando por el puente Carlos en Praga, Kepler observó la extraordinaria belleza de los copos de nieve que suavemente se depositaban sobre su abrigo negro. 

Para una mente tan curiosa y observadora, fueron muchas las preguntas que Kepler se planteó al observar las infinitas formas de los cristales de nieve y, a la vez, sus ciertas similitudes. ¿Por qué los copos son, en su mayoría, planos? ¿Por qué todas las ramas de los copos son iguales? ¿Cómo sabe una rama cómo está creciendo la rama de al lado? ¿Por qué siempre los cristales de nieve tienen seis ramas, ni más ni menos?

Kepler recogió todas sus preguntas y todas sus observaciones en su regalo de esas navidades a su emperador, ciertamente original,  en un libro que tituló 'Los copos de nieve de seis ramas' ('The Six-Cornered Snowflake'), que, en distintos idiomas, aún se puede comprar como regalo de Navidad.

Desde las primeras observaciones con rigor y método que Kepler realizara sobre los cristales de nieve, muchos otros científicos a lo largo de los cuatro últimos siglos han dirigido su mirada hacia los cristales que aparecen en la naturaleza y que han atraído el interés de la especie humana desde tiempos inmemoriales. Valga, como botón de muestra, las colecciones de cristales de cuarzo que, junto a restos del Homo erectus, se encontraron en Singi Talav (India) y que están datadas en una antigüedad de más de 390.000 años.

Los cristales son los únicos objetos en la naturaleza que presentan líneas rectas o caras perfectamente planas

Junto a Kepler, muchos otros científicos como Niels Stensen, Jean Baptiste Rome de l’Isle o René Just Häuy, por citar unos pocos, se preguntaron por las peculiaridades de los cristales, únicos objetos en la naturaleza que presentan líneas rectas o caras perfectamente planas. Estos curiosos investigadores y otros muchos han creado un cuerpo de doctrina que, puesto que estudia los cristales, se ha dado en llamar cristalografía. Pero la cristalografía, área científica que arrancó a partir de un regalo en las Navidades de 1611, volvería a obsequiar a nuestra sociedad en el invierno de 1912 con un experimento que revolucionaría la ciencia y abriría las puertas del conocimiento a escala atómica.

Un experimento que es un regalo

Sería el físico alemán Max von Laue, quién en 1912, tratando de entender la naturaleza de los rayos X, enfrentó, en un sencillo experimento, cristales de sulfato de cobre a los referidos rayos X, en aquellos años de naturaleza completamente desconocida. Sorprendentemente, los cristales, fueran de la sustancia que fueran, iluminados por los rayos X, actuaban como centros dispersores reflejando los rayos en millares de direcciones distintas, de modo análogo a como los cristales de diamante reflejan la luz visible. 

Este experimento representó un avance considerable para la física de comienzos del siglo XX, pues permitió confirmar dos circunstancias: que los rayos X eran otra forma de radiación electromagnética, análoga a la luz visible, pero de distinta longitud de onda, y que los cristales no eran otra cosa que agrupaciones de moléculas perfectamente ordenadas.

Una puerta a la estructura atómica

Pero el regalo realmente excepcional que la cristalografía hizo a la química, a la ciencia de los materiales, a la medicina, a la ciencia en general, vino de la mano de dos investigadores británicos, W. Henry Bragg y W. Lawrence Bragg, padre e hijo, quienes en 1914 demostraron que los experimentos de dispersión de rayos X por los cristales (actualmente entendidos como procesos de difracción) posibilitaban el acceso a la estructura, a nivel atómico, de las moléculas, a comprender cómo los átomos se enlazan entre ellos para formar los millones de compuestos químicos, naturales o sintéticos, de nuestro mundo.

Las investigaciones de la familia Bragg abrieron la posibilidad de relacionar las propiedades macroscópicas (las que nosotros observamos en nuestra vida cotidiana), con la naturaleza microscópica de las sustancias (sobre la que los químicos, físicos y bioquímicos actuamos en nuestras investigaciones). Esta relación, generalmente identificada por el binomio propiedad/estructura, revolucionó la ciencia del siglo XX y sigue marcando la evolución de los desarrollos científicos y, posteriormente tecnológicos, de nuestra sociedad.

La difracción de rayos X aplicada a cristales de distintas sustancias nos ha permitido entender por qué, por ejemplo, los diamantes son extremadamente duros y aislantes eléctricos, y el grafito blando y conductor; hay que decir, para quien no lo sepa, que grafito y diamante están compuestos por los mismos átomos de carbono, si bien enlazados de modo diferente. Nos ha permitido comprender por qué la sangre es roja, por qué la hierba es verde o por qué el agua funde a cero grados y forma siempre copos de nieve con seis ramas, como decimos los cristalógrafos, de simetría hexagonal.

Kilos de penicilina

Estoy seguro que todos podremos entender lo que significó, en tiempos de la segunda Guerra Mundial, el poder disponer de grandes cantidades de penicilina para poder evitar la muerte de muchas personas por simples heridas infectadas. Esto fue posible cuando la cristalógrafa Dorothy C. Hodgkin determinó la estructura molecular de la penicilina, hecho que permitió a los químicos la preparación de penicilina en cantidades de kilos, en lugar de miligramos. 

Otro hito científico, que todos recordaremos de nuestras clases de Ciencias Naturales de secundaria, es la determinación de la estructura de doble hélice del ADN que nos permitió entender los mecanismos de la transmisión de información en los seres vivos. En este caso fueron los experimentos de difracción de rayos X sobre cristales de ADN que realizó la joven investigadora Rosalind Franklin los que permitieron determinar la estructura molecular del ADN.

Fernando J. Lahoz Instituto de Síntesis Química y Catálisis Homogénea (Universidad de Zaragoza-CSIC)

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