Nobel de química para el descubridor de los cuasicristales

El Premio Nobel de Química del presente año fue concedido a Daniel Shechtman (Israel) por el descubrimiento de los cuasicristales.

Era una mañana de Abril de 1982 cuando Schechtman hizo una extraña observación. El material que andaba estudiando por algún tiempo —una mezcla de aluminio y manganeso— mostraba una disposición atómica que salía de toda lógica: un punto brillante al centro, rodeado por otros 10 ubicados a la misma distancia unos de otros. Lo que había hecho Schechtman previamente fue fundir este materia y luego enfriarlo rápidamente para crear una estructura atómica completamente desordenada. Sin embargo, la disposición de los átomos que observó fue algo que iba contra todas las leyes de la naturaleza. Uno podía esperar encontrar 4 o hasta 6 átomos rodeando al átomo central, pero no 10.

Cuando analizó el patrón de difracción de este material, observó un tipo de ordenamiento cristalino. Hasta aquí no hay nada de extraordinario, casi todos los compuestos sólidos de la naturaleza forman cristales, donde los átomos se disponen formando un patrón ordenado y repetitivo, y según la composición, adquieren distintas simetrías, por ejemplo, la sal común (NaCl), el agua, el oro, etc. Estas estructuras cristalinas se basan en el ordenamiento de 3 (a), 4 (b) o 6 átomos (c) rodeando al átomo central, ya que su simetría puede ser repetida así se rote la imagen 120°, 90° o 60°, respectivamente; algo que no ocurre con la simetría de un cristal con 5 átomos rodeando al átomo central (d). Lo mismo ocurriría para uno de 7 o más átomos —en aquella época, una estructura cristalina de 10 átomos ni siquiera estaba considerada en la Tablas Internacionales de Cristalografía.

El descubrimiento de Schechtman fue algo que iba contra todo lo establecido por las leyes de la naturaleza, porque la estructura cristalina que descubrió formaba un patrón simétrico y repetitivo: la simetría se repetía cada vez que el cristal se rotaba 36°. Al inicio lo vieron con mucho escepticismo y cuando Schechtman lo presentó a la comunidad científica lo tomaron como algo ridículo y le dieron un libro de cristalografía recomendándole que lo leyera [quién imaginaría en ese entonces que Schechtman ganaría el Nobel y sus colegas burlones no].

La primera vez que presentó su trabajo, analizando el patrón de difracción y la estructura atómica del cristal de 10 lados, a la revista Physical Review Letters, este fue inmediatamente rechazado por el editor. Schechtman mostró sus datos al reconocido físico John Cahn y este se lo mostró al francés Denis Gratias, un experto en cristalografía, quien corroboró los resultados. Finalmente, el trabajo fue aceptado y publicado por la revista en 1984. A pesar de ello, las críticas hacia su trabajo seguían siendo duras. La comunidad científica muchas veces se resiste a la idea de aceptar algo revolucionario si no es bien corroborado, algo que vemos en nuestros días con la historia de los neutrinos superlumínicos.

Sin embargo, Schechtman aún no podía relacionar el patrón de difracción con la estructura atómica, en otras palabras, no sabía cómo estaban empaquetados los átomos en este cristal. La respuesta vino gracias a los mosaicos aperiódicos los cuales fueron aplicados a la cristalografía. Los mosaicos o teselados son un patrón de figuras que se repiten con regularidad cubriendo por completo una determinada área sin dejar huecos y ni formar superposiciones. Por ejemplo, una pelota de fútbol clásica es un mosaico de pentágonos y hexágonos. En los años 1970’s, el matemático Roger Penrose desarrolló un mosaico sin periodicidad usando dos figuras: un rombo delgado y uno grueso.

El cristalógrafo Alan Mackay, se le ocurrió la idea de poner átomos en los puntos de intersección de los mosaicos de Penrose y uso esta disposición como molde de un patrón de difracción para ver que cristales se ajustaban a esta singular forma. Lo que resultó fue el patrón de difracción simétrico, donde había un átomo central y 10 alrededor a la misma distancia unos de otros. Los encargados de relacionar los trabajos de Schechtman y Mackay fueron los físicos Paul Steinhardt y Dov Levine quienes tuvieron acceso al artículo de Schechtman antes de ser publicado porque ellos fueron los revisores asignados por la revista Physical Review Letters. Steinhardt & Dov Levine publicaron su hallazgo 5 semanas después de publicarse el descubrimiento de Schechtman y fueron ellos a los que se le debe el nombre de cuasicristales.

Antes los químicos interpretaban la regularidad de un cristal como un patrón periódico y repetitivo, por ejemplo: 2, 4, 8, 16, 32,…. Sin embargo, la secuencia de Fibonacci también es un patrón regular, aunque nunca no sea repetitivo. En la secuencia de Fibonacci, un número es el resultado de la suma de los dos anteriores: 1, 1, 2, 3, 5, 8, 13, 21,… como pueden ver no parece tener un patrón repetitivo, pero si dividimos un número de la secuencia entre el anterior veremos que todos conservan prácticamente el mismo valor (1.6), el cual es llamado como la proporción divina o el número áureo, encontrada en muchos lugares de la naturaleza. Las distancias interatómicas en el cristal seguían esta secuencia.

Los cuasicristales se han encontrado en tipos de metales más durables del mundo, lo que sugiere que esta estructura cristalina es sumamente estable. El agua también presenta un estado cuasicristal. Sin embargo, a pesar de ser muy durables, los cuasicristales se fracturan con facilidad, tal como lo hace el vidrio, además debido a la disposición de sus átomos son malos conductores térmicos y eléctricos, siendo útiles en los materiales termoeléctricos que evitan la pérdida de calor para ser aprovechado en la generación de energía eléctrica.

La verdad, esta historia de Schechtman es muy interesante y sirve como ejemplo para todos aquellos jóvenes investigadores que creen haber encontrado algo que no es común en la naturaleza pero suelen creer que el experimento está mal hecho y no profundizan en el tema. Que algo no aparezca en los libros o los artículos científicos no quiere decir que nunca ocurrirá o que está mal hecho, simplemente es que nunca ha sido reportado.

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Referencia:

MLA style: "The Nobel Prize in Chemistry 2011". Nobelprize.org. 5 Oct 2011 http://www.nobelprize.org/nobel_prizes/chemistry/laureates/2011/