100 años de difracción por los cristales

La Cristalografía es una ciencia que, bajo uno u otro nombre, se ha desarrollado durante siglos junto con el resto de las Ciencias Naturales y Exactas. Pero la evolución histórica de la Cristalografía se divide en dos eras, separadas por un acontecimiento que marcó el nacimiento de la Cristalografía Moderna: El descubrimiento de que los cristales son capaces de difractar los rayos X. Hagamos un poco de historia.

«Molecule Constituante» y hábito cristalino, por René-Just Haüy (1743-1822)

A comienzos del siglo XX, el cristal se entiende como un sólido que constituye esencialmente un medio periódico caracterizado por sus propiedades de simetría, homogeneidad y anisotropía. Pero de cualquier modo quedaba por conocer qué disposición adoptan los átomos y moléculas alrededor de cada supuesto punto reticular. La formulación teórica de la Cristalografía estaba completa, pero se carecía de la técnica que hiciera posible el estudio de la estructura atómica de los cristales.

En este contexto, el joven matemático alemán Max von Laue (1879-1960) consideró la posibilidad de que los cristales difractasen a los rayos X posiblemente al leer en 1912 la tesis doctoral de Peter P. Ewald (1888-1985) sobre la propagación de las ondas electromagnéticas en medios periódicos formados por dipolos y que el propio Ewald consideraba como modelo de los cristales. Esta idea condujo a von Laue a suponer que si la longitud de onda de los rayos X fuera del mismo orden de magnitud que la separación de los átomos en los cristales, entonces se debía obtener una especie de difracción al pasar dicho rayo por un cristal.

El asunto se discutió en la Universidad de Munich (Alemania) en uno de los seminarios que regularmente mantenía el grupo de investigación de Arnold J. W. Sommerfeld (1868-1951), un físico interesado en el estudio de los rayos X. Este tipo de radiación había sido descrita en 1895 por Wilhelm K. Röntgen (1845-1923), descubrimiento por el que se le otorgó el premio Nobel de Física.

El entusiasmo y la claridad de ideas de von Laue afectaron profundamente a la audiencia. Se llegó a la conclusión de que merecía la pena hacer un experimento y ver cual era el resultado. Walter Friedrich (1883-1968), un ayudante de Sommerfeld, y un doctorando, Paul Knipping (1883-1935) se ofrecieron a llevar a cabo el experimento. El aparato que idearon Friedrich y Knipping era muy rudimentario. El tubo de rayos X lo prestó Röntgen y con un viejo goniómetro fabricaron una cámara cubierta de plomo en la que la radiación entraba a través de un colimador de 1mm de sección e incidía sobre un cristal de Cu(SO4).5H2O. A diferentes distancias y direcciones se colocaron placas fotográficas en las que se esperaba registrar el efecto.

Diagrama de Laue Nº 5 de un cristal de blenda, uno de los primeros diagramas de difracción obtenido

En un día del mes de mayo de 1912, von Laue se retiraba ya a su casa. Por la ventana del laboratorio Friedrich vio su marcha y asomándose le llamó enseñándole una placa. Laue volvió para examinar la placa y contemplar como el experimento había sido un éxito, ya que junto al haz primario aparecieron una serie de manchas, que no eran otra cosa que máximos de difracción producidos por un cristal de blenda. La prueba experimental de la difracción de rayos X por los cristales existía.

A partir del descubrimiento de la difracción de rayos X por los cristales, Peter P. Ewald, William Henry Bragg (1862-1942) y William Lawrence Bragg (1890-1971) explicarían el fenómeno y mostrarían el partido excepcional que se podía obtener: La determinación experimental de las estructuras cristalinas. En efecto, en menos de un año después del experimento de la difracción de rayos X, la estructura cristalina del cloruro sódico, NaCl, fue determinada por los Bragg, padre e hijo.

El descubrimiento de que las redes naturales que forman los sólidos cristalinos son capaces de difractar los rayos X, confirmó la teoría reticular y revolucionó la metodología cristalográfica, provocando un completo cambio no sólo en la Cristalografía sino en todas las ciencias de la materia. Se da así un nuevo ímpetu al desarrollo de la Mineralogía, Química, Física, Biología, Farmacia…, iniciándose la Cristalografía Contemporánea.

Para leer más (en papel) sobre historia de la Cristalografía, consultar la fuente de esta entrada [J. L. Amorós, La Gran Aventura del Cristal. Naturaleza y Evolución de la Ciencia de los Cristales, Ed. Universidad Complutense. Madrid, 1978]

Esta entrada participa en el III Festival de la Cristalografía que organiza ::ZTFNews y en la XLIX Edición del Carnaval de la Física, cuyo blog anfitrión es El zombi de Schrödinger.