En la conferencia que impartió Thomson ante la Sociedad Filosófica de Cambridge el 11 de noviembre de 1912, en la que presentaba las propuestas de W Lawrence Bragg, estuvo presente el físico Charles TR Wilson (que se haría famoso por sus cámaras de niebla para localizar rayos cósmicos y otras partículas y que le valdrían el premio Nobel en 1927). En el turno de preguntas Wilson sugirió que los rayos X también deberían reflejarse en las caras externas de los cristales, siempre y cuando las caras fuesen suficientemente lisas.
La idea tenía sentido, por lo que Lawrence realizó inmediatamente una serie de experimentos en las caras de exfoliación de la mica, ya que se suponía que debía de ser muy plana incluso a escala atómica. Lawrence pudo fotografiar esta reflexión y en diciembre, esto es, poco más de un mes después de la sugerencia de Wilson, aparecía en Nature su The Specular Reflexion of X-rays.
Por su parte William H Bragg demostró poco después que el espectrómetro de rayos X que había construido podía detectar los rayos X monocromáticos difractados, pero no con una placa fotográfica sino con un detector de ionización de gas.
La importancia de la ley de Bragg, así como la capacidad del espectrómetro para registrar las intensidades de los rayos X de una longitud de onda determinada, quedó demostrada de forma espectacular en dos artículos aparecidos en los Proceedings of the Royal Society en 1913. En uno de ellos, firmado sólo por Lawrence, se analizaban las estructuras de los cristales de los cloruros de sodio y potasio, y del bromuro e ioduro de potasio; en el otro, de Lawrence con William, se estudiaba la estructura del diamante.
La metodología desarrollada por los Bragg constituía una forma fiable de determinar la estructura interna de todos los sólidos cristalinos y, por tanto, de explicar sus propiedades. Una vez que se descubrió la estructura del diamante, con átomos de carbono enlazados firmemente en tres dimensiones, era fácil entender que fuese tan duro. Cuando en los años treinta se determinó la estructura del grafito, de idéntica composición química que el diamante, se entendió que, a pesar de ello, fuese tan blando, que reaccionase químicamente de forma tan diferente y que tuviese comportamiento electrónico tan distinto.
Durante las décadas siguientes la ecuación de Bragg y el espectrómetro se convirtieron en los ejes de la investigación difracción de rayos X, desplazando el método policromático de Laue. Con todo, algunos investigadores usaban ambos procedimientos, el más famoso Linus Pauling en la determinación de las estructuras de la hematita y el corindón en 1925.
En 1919 Lawrence sucedió a Ernest Rutherford en la cátedra de física de la Universidad de Manchester. Allí se dedicó al estudio de las propiedades químicas y físicas de los silicatos, los minerales más abundantes en la corteza terrestre y que, sin embargo, las aproximaciones químicas tradicionales no habían terminado de explicar satisfactoriamente a nivel atómico. Por ejemplo, hoy sabemos por qué la mica y el talco son blandos o el berilo duro gracias al trabajo de Lawrence en esta época.
Lawrence demostró que muchos minerales, especialmente los silicatos, están dominados por el oxígeno cargado negativamente que ocupa buena parte del espacio mientras que los cationes metálicos ocupan los intersticios que dejan. En el caso de los silicatos descubrió una coordinación tetraédrica de cuatro átomos de oxígeno independiente del ratio silicio: oxígeno.
También durante la época de Manchester, Lawrence resolvió las estructuras del latón-gamma y de varias aleaciones magnéticas, fundamentales para el desarrollo de la teoría moderna de los metales.
En 1938, Lawrence volvía a suceder a Rutherford, esta vez al frente del laboratorio Cavendish de Cambridge, al que revolucionaría, sobre todo tras el esfuerzo bélico de la Segunda Guerra Mundial, orientándolo hacia la cristalografía de interés biológico, donde él veía el futuro. Aquí, basándose en el trabajo de 1934 de JD Bernal y Dorothy Crowfoot (después Hodgkin) que demostraba que las proteínas cristalizadas difractaban los rayos X en patrones complejos, alentaría a Max Perutz y John Kendrew (ambos Nobel de química 1962), en la determinación cristalográfica por rayos X de la estructura, endiabladamente compleja, de las proteínas hemoglobina y mioglobina. Más tarde daría rienda suelta a las investigaciones de Francis Crick y James Watson sobre el ADN (ambos Nobel de medicina o fisiología 1962).
En 1953, Lawrence se convirtió en director de la Royal Institution. De nuevo su impulso revolucionaba una institución: la nueva línea de la cristalografía de estructuras biológicas se veía potenciada con la construcción de un difractómetro lineal de rayos X automatizado, primero en su género. Fue este aparato el que permitió a Kendrew, al que Bragg había incorporado como investigador “honorario”, junto a David Phillips determinar los últimos detalles de la primera proteína caracterizada, la mioglobina. También ayudaría a Phillips y a Louise Johnson con la determinación y modo de actuación de la estructura de la primera enzima, la lisozima.
Desde su descubrimiento en 1912 el método de los Bragg permitió el establecimiento de múltiples grupos de investigadores en todo el mundo trabajando en la determinación de todo tipo de estructuras moleculares. No menos de 24 premios Nobel se han concedido relacionados con la difracción de rayos X. Hoy día sigue estando en el corazón de la cristalografía y, con esta, en todas las ramas de la ciencia.
Referencias generales sobre historia de la cristalografía:
[1] Wikipedia (enlazada en el texto)
[3] Molčanov K. & Stilinović V. (2013). Chemical Crystallography before X-ray Diffraction., Angewandte Chemie (International ed. in English), PMID: 24065378
[4] Lalena J.N. (2006). From quartz to quasicrystals: probing nature’s geometric patterns in crystalline substances, Crystallography Reviews, 12 (2) 125-180. DOI:10.1080/08893110600838528
[5] Kubbinga H. (2012). Crystallography from Haüy to Laue: controversies on the molecular and atomistic nature of solids, Zeitschrift für Kristallographie, 227 (1) 1-26. DOI: 10.1524/zkri.2012.1459
[6] Schwarzenbach D. (2012). The success story of crystallography, Zeitschrift für Kristallographie, 227 (1) 52-62. DOI: 10.1524/zkri.2012.1453
Este texto es una revisión del publicado en Experientia docet el 20 de febrero de 2014
Sobre el autor: César Tomé López es divulgador científico y editor de Mapping Ignorance
