Cristalografía para niños
La cristalografía es la ciencia que se dedica a estudiar los cristales. Los cristales son materiales donde los átomos, iones o moléculas se organizan de forma repetida en el espacio. Muchos minerales, compuestos y materiales tienen esta estructura cristalina cuando las condiciones son adecuadas.
Al principio, la cristalografía estudiaba cómo crecían los cristales y su forma externa. Con el tiempo, también empezó a investigar su estructura interna y su composición química. Para entender la estructura interna, se usan técnicas como la difracción de rayos X, neutrones o electrones. También se puede usar el microscopio electrónico. El objetivo es saber dónde están los átomos y cómo se repiten en un patrón tridimensional.
La forma en que los átomos se organizan en un cristal se puede descubrir con la difracción de rayos X, de neutrones o de electrones. La química cristalográfica estudia cómo la composición química y la forma en que se unen los átomos afectan las propiedades de los minerales.
Cuando las condiciones son buenas, cada elemento o compuesto químico tiende a formar cristales con una forma específica. Por ejemplo, la sal de mesa suele formar cristales con forma de cubo. El granate, aunque a veces también forma cubos, se encuentra más a menudo en formas como dodecaedros. A pesar de sus diferentes formas, la sal y el granate siempre cristalizan en el mismo tipo de sistema.
Existen treinta y dos tipos de clases cristalinas posibles. Sin embargo, la mayoría de los minerales comunes pertenecen a solo unas doce clases. Estas clases se agrupan en seis sistemas cristalinos, que se distinguen por la longitud y posición de sus ejes. Los minerales de cada sistema comparten características de simetría y forma, además de propiedades ópticas importantes.
La cristalografía es una herramienta clave en muchas áreas científicas, como la química, la física y la biología. También tiene muchas aplicaciones prácticas en la medicina, la mineralogía y el desarrollo de nuevos materiales. Debido a su importancia para resolver desafíos como enfermedades y problemas ambientales, la UNESCO declaró el año 2014 como el Año Internacional de la Cristalografía.
Contenido
Origen del nombre de la Cristalografía
El término "cristalografía" se usó por primera vez para el estudio de los cristales en 1723. Lo hizo un médico suizo llamado Moritz Anton Cappeller (1685-1769). Apareció en su libro Prodromus crystallographiae de crystallis improprie sic dictis commentarium.
¿Cómo se forman los cristales?
Un material cristalino es aquel donde los átomos se organizan en patrones que se repiten en tres dimensiones. La parte más pequeña que se repite se llama celda unitaria. Los cristales se clasifican según las propiedades de simetría de esta celda unitaria. Estas propiedades de simetría a veces se ven también en la forma general del cristal, como sus formas geométricas o cómo se rompe. Para estudiar la cristalografía, es útil entender los grupos de simetría.
Elementos de simetría en los cristales
Las celdas unitarias de un cristal tienen elementos de simetría. Estos son:
- Eje de simetría: Es una línea imaginaria que atraviesa el cristal. Si giras el cristal alrededor de este eje, el cristal se ve igual dos o más veces en un giro completo. Los ejes pueden ser:
- Monarios: el cristal se ve igual una vez (360°).
- Binarios: el cristal se ve igual dos veces (180°).
- Ternarios: el cristal se ve igual tres veces (120°).
- Cuaternarios: el cristal se ve igual cuatro veces (90°).
- Senarios: el cristal se ve igual seis veces (60°).
- Plano de simetría: Es un plano imaginario que divide el cristal en dos mitades que son como un reflejo en un espejo. Puede haber varios planos de simetría. Se representa con la letra m.
- Centro de simetría: Es un punto dentro del cristal. Si unes este punto con cualquier punto de la superficie, encontrarás un punto similar al otro lado del centro y a la misma distancia.
Sistemas cristalinos
Todas las redes cristalinas y los cristales tienen elementos de simetría. Si clasificamos los 230 grupos espaciales según los elementos de simetría que tienen, obtenemos 32 clases de simetría. Estas clases se agrupan en siete sistemas cristalinos principales:
- Sistema triclínico: No tiene ninguna simetría mínima.
- Sistema monoclínico: Tiene al menos un eje de rotación binario o un plano de simetría.
- Sistema ortorrómbico: Tiene al menos tres ejes binarios que son perpendiculares entre sí.
- Sistema tetragonal: Su característica principal es un eje de rotación cuaternario.
- Sistema hexagonal: Su característica principal es un eje de rotación senario.
- Sistema romboédrico o trigonal: Su característica principal es un eje de rotación ternario.
- Sistema cúbico: Tiene cuatro ejes de rotación ternarios inclinados a 109.47°.
Tipos de hábito cristalino
El hábito es la apariencia externa de un cristal. Depende de la estructura del mineral y de las condiciones en las que se forma. Algunos tipos son:
- Hábito acicular: Cristales que parecen agujas, con caras verticales muy desarrolladas.
- Hábito hojoso: Cristales que parecen hojas, con caras horizontales muy desarrolladas.
¿Para qué sirve la Cristalografía?
Los métodos cristalográficos se basan en analizar los patrones de difracción que se forman cuando se ilumina una muestra de cristal con rayos X, neutrones o electrones. La estructura de un cristal también se puede estudiar con un microscopio electrónico.
La Cristalografía en la Biología
La cristalografía de rayos X es el método principal para obtener información sobre la estructura de proteínas y otras macromoléculas grandes, como la doble hélice del ADN. La forma del ADN se descubrió gracias a los patrones de difracción de rayos X. Analizar moléculas tan complejas requiere el uso de computadoras para crear modelos que coincidan con los patrones de difracción. La primera estructura cristalina de una macromolécula, la mioglobina, se descubrió en 1958 usando rayos X.
El Banco de Datos de Proteínas (PDB) guarda información sobre la estructura de proteínas y otras macromoléculas biológicas. La cristalografía de neutrones se usa a menudo para mejorar las estructuras obtenidas con rayos X. Los rayos X son buenos para ver la posición de los electrones, mientras que los neutrones son buenos para ver la posición de los núcleos de los átomos, incluso los más ligeros como el hidrógeno.
La cristalografía electrónica se ha usado para determinar la estructura de algunas proteínas, especialmente las de las membranas y las cápsides de los virus.
La Cristalografía en la Ingeniería de Materiales
Las propiedades de los materiales cristalinos dependen mucho de su estructura. Los materiales que usamos en ingeniería suelen ser policristalinos, lo que significa que están formados por muchos cristales pequeños. Las propiedades de estos materiales dependen de las características y la orientación de esos cristales.
La técnica de difracción de rayos X permite estudiar la estructura de un solo cristal. Esto ayuda a identificar los planos que difractan la luz según la ley de Bragg, lo cual es útil para saber qué fases (tipos de estructuras) están presentes. Los métodos cristalográficos también permiten estudiar cómo se distribuyen las orientaciones de los cristales en un material, lo que se conoce como textura cristalográfica.
Otras propiedades físicas también están relacionadas con la cristalografía. Por ejemplo, los minerales de la arcilla forman estructuras pequeñas y planas. La arcilla se puede deformar fácilmente porque estas partículas planas pueden deslizarse unas sobre otras. Estos mecanismos se pueden estudiar con mediciones cristalográficas.
Otro ejemplo es el hierro. Cuando se calienta, el hierro cambia de una estructura cúbica centrada en el cuerpo (bcc) llamada ferrita a una estructura cúbica centrada en la cara (fcc) llamada austenita. La estructura fcc es más compacta que la bcc, por lo que el volumen del hierro disminuye cuando ocurre esta transformación.
La cristalografía es útil para identificar las fases de un material. Al fabricar o usar un material, es importante saber qué compuestos y fases están presentes, ya que su composición, estructura y proporciones afectan sus propiedades. Cada fase tiene una organización característica de los átomos. La difracción de rayos X o neutrones puede usarse para identificar qué estructuras y compuestos están en el material. La cristalografía también describe los patrones de simetría que los átomos pueden formar en un cristal.
Galería de imágenes
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Cristales de sulfato de cobre (II). Estos cristales tienen una estructura cristalina triclínica.
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Cristales de cuarzo de Minas Gerais, Brasil.
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Modelo de red de un sistema cristalino cúbico simple.
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Difracción de Bragg a partir de una red cristalina cúbica. Ondas planas que inciden en una red cristalina con un ángulo θ
Véase también
En inglés: Crystallography Facts for Kids
