AUTORES: Cristóbal Viedma, Belén Soutullo y Javier Luque

Una sospecha...

El hombre del Renacimiento tenía un gran interés por los minerales. Por razones prácticas, porque algunos de ellos eran necesarios para su tecnología, pero también por la fascinación que le producían las morfologías poliédricas de caras planas y ángulos imposibles en el mundo natural que intentaban explicar. Los alquimistas medievales ya sabían que los minerales eran fuente de las sustancias que necesitaban en sus retortas experimentales. Detrás de la morfología cristalina de un determinado mineral siempre emergían una composición química concreta y las mismas propiedades físicas.

Muchas ideas surgieron para explicar las propiedades de los minerales, pero la mayoría de ellas estaban relacionadas con la magia de los gnomos que tallaban las piedras por la noche o a ciertos efluvios ignotos que modelaban su apariencia poliédrica.

Hubo que esperar hasta el siglo XVII para establecer la primera explicación racional, que vino de la mano de un sacerdote francés llamado René Just Haüy. Además de religioso de carrera, Haüy fue un eminente estudioso de los minerales y tuvo un afortunado accidente, como suele ocurrir muchas veces en ciencia.

Un amigo suyo recibió de México un precioso ejemplar de calcita, un romboedro transparente y perfecto, lo que se conoce como “espato de Islandia”. Lo tomó en sus manos, pero con tan mala fortuna que el mineral cayó al suelo rompiéndose en múltiples pedazos.

Apesadumbrado por el destrozo causado, Haüy recogió los restos del bello poliedro e hizo una observación que cambió el curso de la Mineralogía para siempre: todos los trozos generados por la caída del perfecto cristal romboédrico eran también pequeños romboedros que exhibían las mismas caras y ángulos que el ejemplar original antes de la caída.

Una idea surgió en su cabeza. Una idea muy simple pero suficientemente revolucionaria para el momento histórico: la calcita se rompía en fragmentos romboédricos porque se componía de pequeñas partes que también eran romboédricas. Dedujo que, en última instancia, estaría constituida por moléculas con morfología evidentemente romboédrica, a las que denominó “moléculas integrantes” y que, por yuxtaposición repetitiva, formarían el gran cristal macroscópico.

Los minerales, por tanto, tendrían una estructura, un orden interno, que justificaría su morfología poliédrica. La idea de ese orden interno a nivel microscópico para los minerales ha viajado en el tiempo hasta nosotros. La Cristalografía morfológica o geométrica se desarrolló rápidamente y fue capaz de explicar las diferentes formas externas que manifestaban los minerales. Esta feliz idea de un orden interno permaneció como hipótesis durante mucho tiempo y no fue validada experimentalmente hasta principios del siglo XX.

Y la confirmación experimental

En 1912, tres jóvenes de la universidad de Múnich, Max von Laue, Walter Friedrich y Paul Knipping, realizaron un experimento que confirmaría dicha hipótesis: los cristales podían difractar los rayos X. Esto sólo sería posible si esta radiación atraviesa un entramado atómico con un orden interno determinado. Con este experimento, la existencia de una estructura interna en los minerales quedaba científicamente comprobada. Dos años más tarde, en 1914, W. H. Bragg y su hijo, W. L. Bragg, determinaron la estructura interna del primer mineral, la halita (cloruro sódico, con una estructura bastante simple), recibiendo el premio Nobel por su trabajo. La Cristalografía y la Mineralogía entraron en una época de esplendor, resolviendo en pocos años las estructuras de los minerales más comunes.

Los equipos modernos de difracción de rayos X, junto a potentes computadores, hacen posible el estudio de las estructuras más complejas, incluyendo cristales orgánicos, que proporcionan información de la estructura de las moléculas asociadas a la vida, información imprescindible para el desarrollo de los medicamentos más avanzados. 

Actualmente, hay más técnicas que se suman a esta tarea del conocimiento en detalle de la estructura mineral. Así, por ejemplo, la microscopía electrónica de transmisión de alta resolución (HRTEM) ofrece imágenes precisas de la posición que ocupa en la estructura cristalina cualquier componente químico.

No hay duda de que las propiedades físicas más importantes de los cristales están asociadas a su estructura interna más que a su composición química. Un ejemplo paradigmático de esta afirmación lo ofrece el carbono que, en estado puro, genera dos minerales tan diferentes como el grafito, opaco, con brillo casi metálico y dureza mínima en la escala Mohs, y el diamante, transparente y con la máxima dureza en la misma escala.

Más allá de la Mineralogía surge la "Ciencia de los Materiales", que genera tecnologías basadas en las propiedades derivadas de la estructura de los sólidos cristalinos como la superconductividad¹, la piezoelectricidad² o el magnetismo.

Por tanto, la estructura interna no sólo se manifiesta en la belleza de la morfología cristalina, sino que también imparte propiedades fascinantes a muchos materiales. Estas propiedades son aprovechadas por las tecnologías más avanzadas.

 

¹ Superconductividad: Propiedad de ciertos sólidos cristalinos de conducir la corriente eléctrica sin resistencia ni pérdida de energía en determinadas condiciones. Se aplica, por ejemplo, en los equipos médicos de resonancia magnética nuclear.

² Piezoelectricidad: Propiedad de algunos sólidos cristalinos por la cual, al ejercer un esfuerzo en una dirección determinada, se generan cargas eléctricas opuestas en ambos extremos a lo largo de esa dirección. Inversamente, estos materiales, al ser sometidos a un campo eléctrico alterno sufren expansión y contracción cuya frecuencia se puede regular. En esta propiedad se basa el funcionamiento de los relojes de cuarzo.

Estatua de René Just Haüy en el Museo de Historia Natural de París. Imagen: Wikipedia

 

Espato de Islandia. Foto: G. Pinto.