Resolviendo la estructura de un cristal cuando solo tienes polvo

Los cristales revelan la geometría oculta de las moléculas a simple vista. Los científicos usan cristales para descifrar la estructura atómica de nuevos materiales, pero muchos no pueden crecer lo suficiente. Ahora, un equipo de investigadores informa sobre una nueva técnica en la edición del 19 de enero de Nature que puede descubrir la estructura cristalina de cualquier material.

Para comprender verdaderamente una sustancia química, un científico necesita saber cómo se organizan sus átomos. A veces eso es fácil: por ejemplo, tanto el diamante como el oro están hechos de un solo tipo de átomo (carbono u oro, respectivamente) dispuestos en una cuadrícula cúbica. Pero a menudo es más difícil descifrar los más complicados.

«Cada uno de estos es un copo de nieve especial: cultivarlos es realmente difícil», dice el físico químico de UConn, Nate Hohman. Hohman estudia los chacogenolatos orgánicos metálicos. Están hechos de un metal combinado con un polímero orgánico y un elemento de la columna 16 de la tabla periódica (azufre, selenio, telurio o polonio). Algunos son pigmentos de colores brillantes; otros se vuelven más conductores de la electricidad cuando se los ilumina con luz; otros son buenos lubricantes sólidos que no se queman con las altas temperaturas de las refinerías de petróleo o las minas.

Es una familia grande y útil de productos químicos. Pero los que estudia Hohman, los calcogenolatos híbridos, son realmente difíciles de cristalizar. El laboratorio de Hohman no pudo resolver las estructuras atómicas, porque no pudieron hacer crecer grandes cristales perfectos. Incluso los diminutos cristales en polvo que podían obtener eran imperfectos y desordenados.

La cristalografía de rayos X es la forma estándar de averiguar los arreglos atómicos de materiales más complicados. Un ejemplo temprano famoso fue cómo Rosalind Franklin lo usó para descubrir la estructura del ADN. Aisló piezas grandes y perfectas de ADN en forma cristalina y luego las iluminó con rayos X. Los rayos X son tan pequeños que se difractan a través de los espacios entre los átomos, de la misma manera que la luz visible se difracta a través de ranuras en el metal. Al hacer los cálculos en el patrón de difracción, puede averiguar el espaciado de las ranuras, o átomos, que lo formaron.

Una vez que conoce la estructura atómica de un material, se abre un mundo completamente nuevo. Los científicos de materiales usan esa información para diseñar materiales específicos para hacer cosas especiales. Por ejemplo, tal vez tenga un material que desvíe la luz de manera fría, de modo que se vuelva invisible bajo la luz ultravioleta. Si comprende la estructura atómica, es posible que pueda modificarla, sustituir un elemento similar de un tamaño diferente en un lugar específico, por ejemplo, y hacer que haga lo mismo en luz visible. ¡Voila, una capa de invisibilidad!

Los calcógenolatos híbridos, los compuestos que estudia Hohman, no te harán invisible. Pero podrían ser excelentes nuevos catalizadores químicos y semiconductores. Actualmente está trabajando con unas a base de plata. Su favorito, el mithrene, está hecho de plata y selenio y brilla con un azul brillante en la luz ultravioleta o «siempre que haya estudiantes de posgrado cerca», dice Hohman.

Elyse Schreiber, una estudiante graduada de química en el laboratorio de Hohman, convenció a Hohman de que de todos modos deberían intentar iluminar algunos de los pequeños y desordenados calcogenolatos híbridos en un haz de rayos X de alta potencia. Si pudieran resolver las matemáticas, resolverían todos sus problemas.

Mientras trabajaba en Linac Coherent Light Source en el acelerador lineal SLAC en Menlo Park, California, Schreiber conoció a Aaron Brewster, investigador de Berkeley. Brewster mencionó que había resuelto las matemáticas requeridas para resolver la estructura cristalina de materiales difíciles usando cristalografía de rayos X. Pero necesitaba algo para probarlo. Hohman y Schreiber tenían el material. Proporcionaron muchos cristales diminutos e imperfectos de calcogenolato, que mezclaron en agua emulsionada con jabón para platos Dawn (otro elemento indispensable en el laboratorio de Hohman que brilla en azul) y dispararon chorros de ellos hacia el haz del acelerador. Cada pulso de rayos X iluminó los cristales con un brillo increíble, lo que permitió a Brewster capturar una instantánea de las estructuras atómicas de cientos de diminutos cristales. Con suficientes instantáneas, Brewster pudo ejecutar los cálculos y descubrir cómo estaban dispuestos los átomos.

No solo resolvieron las estructuras cristalinas, sino que también descubrieron que las mejores conjeturas anteriores sobre cuáles eran esas estructuras habían sido incorrectas. En teoría, la técnica, llamada cristalografía de femtosegundos en serie de moléculas pequeñas, o smSFX, se puede utilizar para cualquier sustancia química o material.

Los informáticos Nicolas Sauter y Daniel Paley del Laboratorio Nacional Lawrence Berkeley también ayudaron a desarrollar smSFX. Cuando tienes un verdadero polvo, explica Paley, es como tener un millón de cristales mezclados, llenos de imperfecciones y revueltos en todas las orientaciones posibles. En lugar de difractar todo el revoltijo y obtener una lectura confusa de las densidades de electrones, como las técnicas de difracción de polvo existentes, smSFX es tan preciso que puede difractar granos individuales, uno a la vez. «Esto le da un efecto de nitidez especial», dijo. «Así que ese es en realidad el tipo de salsa secreta de todo este método. Normalmente disparas todos los millones a la vez, pero ahora disparas 10,000 todos en secuencia», dice Paley.

«Existe una gran variedad de fascinantes dinámicas físicas e incluso químicas que ocurren en escalas de tiempo ultrarrápidas y esta técnica podría ayudarnos a comprender cómo estos eventos dinámicos afectan la estructura de los materiales microcristalinos. En cierto modo, conectar los puntos entre la estructura de un material y su función», explica Schreiber. Hohman está igualmente entusiasmado con su éxito.

«Ahora que podemos resolver estas estructuras difíciles de cristalizar, podemos diseñar las mejores» estructuras para nuestros propósitos, dice Hohman. A menudo, un material se acercará a tener una determinada propiedad deseable, pero su estructura cristalina no será del todo correcta. Hohman espera que con los datos que pueden obtener de la cristalografía de rayos X utilizando la técnica de Brewster, puedan diseñar mejores materiales desde cero.

Ahora, Hohman y Brewster están colaborando con Tess Smidt, especialista en aprendizaje automático del MIT, para tratar de enseñar a una computadora a diseñar materiales con propiedades específicas.

Este trabajo involucró el uso del láser de electrones libres SACLA en Japón, la fuente de luz coherente Linac en el Laboratorio Nacional de Aceleradores SLAC, y los Centros de Computación Científica de Investigación Nacional de Energía y Fundición Molecular, instalaciones para usuarios de la Oficina de Ciencias del Departamento de Energía de EE. UU. ubicadas en Berkeley Laboratorio.