La cristalografía es la rama de la ciencia dedicada al estudio de la estructura y propiedades moleculares y cristalinas. [1] La palabra cristalografía se deriva de la palabra griega antigua κρύσταλλος ( krústallos ; "hielo claro, cristal de roca") y γράφειν ( gráphein ; "escribir"). [2] En julio de 2012, las Naciones Unidas reconocieron la importancia de la ciencia de la cristalografía al proclamar 2014 Año Internacional de la Cristalografía. [3]
La cristalografía es un tema amplio y muchas de sus subáreas, como la cristalografía de rayos X , son en sí mismas temas científicos importantes. La cristalografía abarca desde los fundamentos de la estructura cristalina hasta las matemáticas de la geometría cristalina , incluidos aquellos que no son periódicos o cuasicristales . A escala atómica, puede implicar el uso de difracción de rayos X para producir datos experimentales que las herramientas de cristalografía de rayos X pueden convertir en posiciones detalladas de los átomos y, a veces, en densidad de electrones. A escalas mayores, incluye herramientas experimentales, como imágenes de orientación, para examinar las orientaciones relativas en el límite de grano de los materiales. La cristalografía juega un papel clave en muchas áreas de la biología, la química y la física, así como en los nuevos desarrollos en estos campos.
Antes del siglo XX, el estudio de los cristales se basaba en mediciones físicas de su geometría mediante un goniómetro . [4] Esto implicó medir los ángulos de las caras del cristal entre sí y con respecto a los ejes de referencia teóricos (ejes cristalográficos), y establecer la simetría del cristal en cuestión. La posición en el espacio 3D de cada cara de cristal se traza en una red estereográfica como una red de Wulff o una red de Lambert . El poste de cada cara está trazado en la red. Cada punto está etiquetado con su índice de Miller . El trazado final permite establecer la simetría del cristal. [5] [6]
El descubrimiento de los rayos X y los electrones en la última década del siglo XIX permitió la determinación de estructuras cristalinas a escala atómica, lo que dio lugar a la era moderna de la cristalografía. El primer experimento de difracción de rayos X fue realizado en 1912 por Max von Laue , mientras que la difracción de electrones se realizó por primera vez en 1927 en el experimento Davisson-Germer . Posteriormente se desarrollaron hasta convertirse en las dos ramas principales de la cristalografía, la cristalografía de rayos X y la cristalografía electrónica . La calidad y el rendimiento de la resolución de estructuras cristalinas aumentaron considerablemente en la segunda mitad del siglo XX, con el desarrollo de instrumentos personalizados y algoritmos de fase . Hoy en día, la cristalografía es un campo interdisciplinario que respalda descubrimientos teóricos y experimentales en diversos dominios. [7] Los instrumentos científicos modernos para cristalografía varían desde equipos del tamaño de un laboratorio, como difractómetros y microscopios electrónicos , hasta grandes instalaciones dedicadas, como fotoinyectores , fuentes de luz de sincrotrón y láseres de electrones libres .
Los métodos cristalográficos dependen principalmente del análisis de los patrones de difracción de una muestra dirigida por un haz de algún tipo. Los rayos X son los más utilizados; otros haces utilizados incluyen electrones o neutrones . Los cristalógrafos suelen indicar explícitamente el tipo de haz utilizado, como en los términos difracción de rayos X , difracción de neutrones y difracción de electrones . Estos tres tipos de radiación interactúan con la muestra de diferentes maneras.
Es difícil enfocar rayos X o neutrones, pero como los electrones están cargados, pueden enfocarse y usarse en el microscopio electrónico para producir imágenes ampliadas. Hay muchas formas en que la microscopía electrónica de transmisión y técnicas relacionadas, como la microscopía electrónica de transmisión de barrido y la microscopía electrónica de alta resolución , se pueden utilizar para obtener imágenes con, en muchos casos, resolución atómica a partir de las cuales se puede obtener información cristalográfica. También existen otros métodos, como la difracción de electrones de baja energía , la microscopía electrónica de baja energía y la difracción de electrones de alta energía por reflexión , que pueden utilizarse para obtener información cristalográfica sobre superficies.
Los científicos de materiales utilizan la cristalografía para caracterizar diferentes materiales. En los monocristales, los efectos de la disposición cristalina de los átomos suelen ser fáciles de ver macroscópicamente porque las formas naturales de los cristales reflejan la estructura atómica. Además, las propiedades físicas suelen estar controladas por defectos cristalinos. La comprensión de las estructuras cristalinas es un requisito previo importante para comprender los defectos cristalográficos . La mayoría de los materiales no se presentan como un solo cristal, sino que son de naturaleza policristalina (existen como un agregado de pequeños cristales con diferentes orientaciones). Como tal, las técnicas de difracción de polvo , que toman patrones de difracción de muestras con una gran cantidad de cristales, juegan un papel importante en la determinación estructural.
Otras propiedades físicas también están vinculadas a la cristalografía. Por ejemplo, los minerales de la arcilla forman estructuras pequeñas, planas y en forma de placas. La arcilla se puede deformar fácilmente porque las partículas en forma de placas pueden deslizarse entre sí en el plano de las placas, pero permanecen fuertemente conectadas en la dirección perpendicular a las placas. Estos mecanismos pueden estudiarse mediante mediciones de textura cristalográfica . Los estudios cristalográficos ayudan a dilucidar la relación entre la estructura de un material y sus propiedades, lo que ayuda a desarrollar nuevos materiales con características personalizadas. Esta comprensión es crucial en diversos campos, incluidos la metalurgia, la geología y la ciencia de materiales. Los avances en las técnicas cristalográficas, como la difracción de electrones y la cristalografía de rayos X, continúan ampliando nuestra comprensión del comportamiento de los materiales a nivel atómico.
En otro ejemplo, el hierro se transforma de una estructura cúbica centrada en el cuerpo (bcc) llamada ferrita a una estructura cúbica centrada en las caras (fcc) llamada austenita cuando se calienta. [11] La estructura de la FCC es una estructura compacta a diferencia de la estructura de la BCC; por tanto, el volumen del hierro disminuye cuando se produce esta transformación.
La cristalografía es útil en la identificación de fases. Al fabricar o utilizar un material, generalmente es deseable saber qué compuestos y qué fases están presentes en el material, ya que su composición, estructura y proporciones influirán en las propiedades del material. Cada fase tiene una disposición característica de átomos. Se puede utilizar la difracción de rayos X o de neutrones para identificar qué estructuras están presentes en el material y, por tanto, qué compuestos están presentes. La cristalografía cubre la enumeración de los patrones de simetría que pueden formar los átomos en un cristal y por esta razón está relacionada con la teoría de grupos .
La cristalografía de rayos X es el método principal para determinar las conformaciones moleculares de macromoléculas biológicas , particularmente proteínas y ácidos nucleicos como el ADN y el ARN . La estructura de doble hélice del ADN se dedujo a partir de datos cristalográficos. La primera estructura cristalina de una macromolécula se resolvió en 1958, un modelo tridimensional de la molécula de mioglobina obtenido mediante análisis de rayos X. [12] El Protein Data Bank (PDB) es un depósito de libre acceso para las estructuras de proteínas y otras macromoléculas biológicas. Se pueden utilizar programas informáticos como RasMol , Pymol o VMD para visualizar estructuras moleculares biológicas. La cristalografía de neutrones se utiliza a menudo para ayudar a refinar estructuras obtenidas mediante métodos de rayos X o para resolver un enlace específico; Los métodos a menudo se consideran complementarios, ya que los rayos X son sensibles a las posiciones de los electrones y se dispersan con mayor fuerza en los átomos pesados, mientras que los neutrones son sensibles a las posiciones del núcleo y se dispersan fuertemente incluso en muchos isótopos ligeros, incluidos el hidrógeno y el deuterio. La difracción de electrones se ha utilizado para determinar algunas estructuras de proteínas, en particular proteínas de membrana y cápsides virales .
Las Tablas Internacionales de Cristalografía [13] es una serie de ocho libros que describe las notaciones estándar para formatear, describir y probar cristales. La serie contiene libros que cubren métodos de análisis y procedimientos matemáticos para determinar la estructura orgánica mediante cristalografía de rayos X, difracción de electrones y difracción de neutrones. Las tablas internacionales se centran en procedimientos, técnicas y descripciones y no enumeran las propiedades físicas de los cristales individuales. Cada libro tiene aproximadamente 1000 páginas y los títulos de los libros son: