EL MARAVILLOSO MUNDO DE LOS CRISTALES

¿Cómo se forman los cristales?.¿Qué tipos hay?. ¿A partir de qué núcleo o punto comienza su crecimiento?.

A estas y otras preguntas se dedica una rama en la que todavía hay muchas cosas interesantes por descubrir.

El descubrimiento de los rayos X revolucionó el antiguo campo de la Cristalografía, que hasta entonces había estudiado la morfología de los minerales. La interacción de los rayos X con los cristales demostró que los rayos X eran radiación electromagnética de longitud de onda del orden de 10^-10 metros y que la estructura interna de los cristales era discreta y periódica, en redes tridimensionales, con separaciones de ese orden. Esto hizo que, ya desde el siglo pasado, la Cristalografía se convirtiera en una disciplina básica de muchas ramas científicas y en especial de la Física y Química de la materia condensada, de la Biología y de la Biomedicina.

Los griegos llamaron cristal al cuarzo, κρνσταλλοσ (cristallos = frío + goteo), es decir, carámbanos de extraordinaria dureza y muy fríos. Pero la formación de cristales no es exclusiva de los minerales, y los encontramos también (aunque no necesariamente de modo natural) en los compuestos llamados orgánicos, e incluso en los ácidos nucléicos, en las proteínas, en los virus...Con todo ello, nos preguntamos, ¿cuál es la peculiaridad que diferencia a los cristales de otros tipos de materiales?.  Pues bien, la denominada estructura cristalina está caracterizada microscópicamente por la agrupación de iones, átomos o moléculas según un modelo de repetición periódica, y el concepto de periodicidad es sencillo de entender si pensamos en los motivos de una alfombra oriental, dibujos de la Alhambra, una formación de tipo militar...

Si nos fijamos con detenimiento, en estos dibujos hay siempre una fracción de los mismos que se repite. Pues bien, en los cristales, los átomos, los iones o las moléculas se empaquetan dando lugar a motivos que se repiten desde cada 5 Angstrom hasta las centenas de Angstrom (1 Angstrom = 10^-8 cm), y a esa repetitividad, en tres dimensiones, la denominamos red cristalina.  El conjunto que se repite, por traslación ordenada, genera toda la red (todo el cristal) y lo denominamos celdilla elemental ó celdilla unidad. Para generalizar, su contenido (átomos, moléculas, iones), o sea el motivo que se repite, puede describirse por un punto (el punto reticular) que representa a todos y cada uno de los constituyentes del motivo. Por ejemplo, cada soldado sería un punto reticular. En la materia condensada, un monocristal es un dominio, generalmente poliédrico, de un medio cristalino.

Pero hay ocasiones en las que la repetitividad se rompe, no es exacta, y precisamente esa característica es lo que diferencia a los cristales de los vidrios o en general de los llamados materiales amorfos (desordenados o poco ordenados)...



Modelo atómico en un material ordenado

                                            

Modelo atómico de un vidrio

En la estructura cristalina (ordenada) de los materiales inorgánicos, los motivos repetitivos son átomos o iones enlazados entre sí, de modo que generalmente no se distinguen unidades aisladas y de ahí su estabilidad y dureza (cristales iónicos, fundamentalmente)...

Cloruro sódico

Donde sí se distinguen claramente unidades aisladas, es en los llamados materiales orgánicos, en donde aparece el concepto de entidad molecular (molécula), formada por átomos enlazados entre sí, pero en donde la unión entre las moléculas, dentro del cristal, es mucho más débil (cristales moleculares). Son generalmente materiales más blandos e inestables que los inorgánicos...



cuarzo

En las proteínas también existen unidades moleculares, como en los materiales orgánicos, pero mucho más grandes. Las fuerzas que unen estas moléculas son también similares, pero su empaquetamiento en los cristales deja muchos huecos que se rellenan con agua no ordenada y de ahí su extrema inestabilidad.



Estructura cristalina de una proteína



Un tratamiento ligeramente diferente merecen los denominados cuasicristales... 

Un cuasicristal es una estructura "ordenada", pero no totalmente periódica como lo son los cristales típicos. Los patrones de repetición (formados por conjuntos de átomos, etc.) de los materiales cuasicristalinos pueden llenar todo el espacio disponible de forma contínua, pero carecen de la propiedad de repetición exacta por translación.

Daniel Shetchtman es un investigador de estas formas que ha sido galarnado con el Nóbel de química en 1911,en el primer artículo de esta sección se habla de él y de estas formas.

Desde aquí os animo a leer este interesante artículo sobre la formación de cristales de yeso, investigación realizada por científicos granadinos.