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2014, año de la cristalografía: ¿Sabías que el vidrio no es un cristal?

La cristalografía es fundamental para la industria farmaceútica

La cristalografía es fundamental para la industria farmaceútica

Pese a la creencia popular, el vidrio no es un cristal, como sí lo son elementos tan variados como los huesos, dientes, chocolate, minerales, rocas, maquillaje, copos de nieve, joyas y piedras semipreciosas, conductores de electricidad, plumas de aves, alas de mariposas, cáscaras de huevo, entre otros. 

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Ser transparentes como el vidrio no hace cristalinos a los objetos. En realidad, esta condición viene dada por el ordenamiento periódico y simétrico de los átomos, moléculas e iones en el espacio, creando una compleja red de patrones que se repite indefinidamente en tres dimensiones: largo, ancho y profundidad.

Pese a la creencia popular, el vidrio no es un cristal, como sí lo son elementos tan variados como los huesos, dientes, chocolate, minerales, rocas, maquillaje, copos de nieve, joyas y piedras semipreciosas, conductores de electricidad, plumas de aves, alas de mariposas, cáscaras de huevo, entre otros. Estando dentro y fuera del organismo, los cristales son esenciales para la vida.

El orden característico de los materiales cristalinos hace posible la difracción de rayos X, es decir, la desviación de los haces de radiación electromagnética cuando estos interactúan con los átomos al interior de los cristales. El descubrimiento de este fenómeno le valió el Premio Nobel de Física al alemán Max von Laue en 1914. A un siglo de este histórico acontecimiento, la Organización de las Naciones Unidas proclamó el 2014 como el Año Internacional de la Cristalografía para mostrar al mundo los beneficios directos e indirectos de esta rama de la ciencia dedicada a estudiar cristales.


Hecho en casa En el Instituto Venezolano de Investigaciones Científicas (IVIC) la cristalografía es tema constante de estudio y formación.

“Es una técnica poderosa con resolución atómica, lo que significa que podemos establecer parámetros geométricos -como distancias y ángulos de enlace- y obtener la conectividad de los átomos así como la estructura tridimensional del material”, informó el jefe del Laboratorio de Síntesis y Caracterización de Nuevos Materiales y responsable del Servicio de Difracción de Rayos X del Centro de Química del Ivic, Alexander Briceño.

La difracción de rayos X, con la ayuda de algoritmos probabilísticos y matemáticos contenidos en software especializados, transforma un conglomerado de puntos (patrón de difracción) en una imagen amplificada de la estructura de los átomos o moléculas de los cristales. Esta reconstrucción espacial es tan íntima y precisa que permite anticipar aplicaciones en función de sus propiedades.

El carbono, por ejemplo, es polimórfico porque puede cristalizar en forma de grafito, diamante, grafeno, fulereno y carbino; aunque todos tienen la misma composición química, la organización interna de los átomos varía en cada uno de ellos, modificando completamente su funcionalidad.
Según el investigador, los proyectos actualmente en ejecución se orientan a la ingeniería de cristal, que consiste en el diseño de nuevos materiales cristalinos con aplicaciones diversas, tales como materiales fotorreactivos y absorbentes de moléculas contaminantes como el sulfuro de hidrógeno en corrientes de gas natural o de moléculas sulfuradas presentes en combustibles.

“En otros casos, simplemente se determina la estructura de otros compuestos orgánicos, metalorgánicos o híbridos (mezcla de orgánicos e inorgánicos)”, sostuvo.

En el IVIC  se emplean dos técnicas de difracción de rayos X: monocristales y de polvo. La primera se realiza en materia sólida de medio milímetro de tamaño, por lo general sintética -como moléculas o fármacos nuevos- y con una disposición interna perfecta. Mientras que la segunda utiliza fragmentos muy pequeños, del orden de las 10 a 50 micras; para tener una idea, una micra equivale a la millonésima parte de un metro.

De acuerdo con el posdoctorante del Laboratorio de Síntesis y Caracterización de Nuevos Materiales del Centro de Química del Ivic, Edward Ávila, la técnica de monocristal es más precisa que la de polvo, pues con aquella “se puede saber si una reflexión corresponde a un plano específico del cristal; en cambio, con la de polvo esta misma reflexión puede ser un promedio de muchas reflexiones colapsadas en una sola dimensión”, dijo.

Sin embargo, aclaró que con ambas técnicas se logra conocer la ubicación de los átomos. “También hay diferencias al momento de aplicar una u otra, porque a veces hay materiales que crecen en forma de polvo y es imposible reproducirlos en un monocristal adecuado”, indicó. Ávila trabaja con polímeros de coordinación (compuestos metalorgánicos unidos mediante ligandos orgánicos, como el pigmento natural Azul de Prusia común en artes plásticas), los cuales se emplean en otros países para almacenar gases.


Fama globalPropiciar el otorgamiento de 29 premios Nobel ha catapultado a la cristalografía a la cima de los grandes avances en química, física, biología, medicina, geología, ingeniería, farmacología y numerosas áreas del saber, contribuyendo en el corto y largo plazo al bienestar de la humanidad.
La estructura de doble hélice del ácido desoxirribonucleico (ADN) a través de la cual se transmite la información genética; el mecanismo de transportación de oxígeno de la proteína hemoglobina y el funcionamiento de la hormona insulina para regular la cantidad de glucosa en sangre, dan cuenta del impacto de la cristalografía en la comprensión de procesos vitales.

“Los cálculos en riñones y vesícula se refieren a la cristalización de componentes que ingerimos y esta técnica se utiliza para establecer la composición química de dichas sustancias. Si se consume ácido úrico en exceso, bien sea en productos lácteos o carnes, se forman sales cristalinas llamadas uratos u oxalatos de calcio, causantes de mucho dolor en los tejidos”, refirió Briceño.

Multipropósito En la industria, la cristalografía también ha dado sus frutos. La calidad y el sabor del azúcar, el chocolate y los helados así como el rendimiento de los fertilizantes, abonos y otras variedades agroquímicas, dependen del tamaño de los cristales y de su estructura interna. “El mismo componente puede adoptar polimorfismo y en el caso del chocolate existen polimorfos más sabrosos o que hacen engordar porque son difíciles de digerir. Por eso, al conocer la estructura de los cristales las proyecciones se hacen inmensas”, aseveró el jefe del Laboratorio de Síntesis y Caracterización de Nuevos Materiales del Ivic, Alexander Briceño.


Todos los medicamentos se cristalizan para garantizar su pureza, comprobar su efecto y mejorar su eficacia. La cristalografía ayuda a conservar el patrimonio cultural; mediante la difracción de rayos X (tanto monocristales como polvo) es posible saber si un pigmento es orgánico o inorgánico e identificar el material del cual está hecha la arcilla sin deteriorar la obra. “Son técnicas no destructivas que mantienen intacta la composición de la pieza”, aclaró por su parte Edward Ávila.
Empresas como Petróleos de Venezuela (Pdvsa) recurren a la cristalografía para el análisis de muestras geológicas de materiales y pozos. Para obtener cemento con determinadas características y conocer las propiedades de los metales también se aplica la ciencia de los cristales. “Tenemos un fuerte potencial en la explotación de yacimientos (petrolíferos o minerales) y en ambos ámbitos la formación de cristalógrafos es sumamente importante”, puntualizó el experto.

Sobre este aspecto, Ávila informó que organismos como el Ivic, el Instituto de Estudios Avanzados (Idea) y las universidades de Los Andes (ULA), Central de Venezuela (UCV) y Simón Bolívar (USB) ofrecen asignaturas sobre cristalografía en sus carreras de pregrado y posgrado.
Entre las limitantes de la cristalografía, a juicio de Briceño, está la potencia de la fuente de rayos X. No obstante, en países de Europa así como en Estados Unidos y Brasil han construido grandes aceleradores de partículas de órbita cerrada (sincrotrones) que permiten obtener haces súper brillantes y de mayor intensidad en comparación con los equipos convencionales de los laboratorios, permitiendo el acceso al análisis de cristales cada vez más pequeños.

Cristales hay en abundancia y cada uno revela sus propios secretos. Ya lo dijo el escritor español Ramón de Campoamor y Campoosorio (1817-1901): “En este mundo traidor, nada es verdad ni mentira, todo es según el color del cristal con que se mira”.