Determinación Experimental de Estructuras Cristalinas
Willhelm Conrad en el siglo 19 cuando experimentaba con la producción de rayos catódicos en tubos de descarga cubiertos con papel negro. Descubrió que el haz de electrones producido en el cátodo incidía en el vidrio del tubo y producía una radiación X de pequeña intensidad que provocaba la fluorescencia de un material situado en las proximidades. Conrad, dedujo correctamente que había producido un nuevo tipo de radiación electromagnética, denominándola rayos X, sin embargo este descubrimiento trajo una serie de incógnitas conectadas con ella. Conrad no llegó a definir la longitud de onda de ese nuevo tipo de radiación electromagnética y este problema sin resolver llevó al descubrimiento de la difracción de los rayos X materiales de estructuras cristalinas
La aplicación de los rayos X al estudio de los cristales fue uno de los más grandes eventos de aporte a la cristalografía. Antes de 1915, los cristalógrafos habían correctamente deducido, a partir del método de exfoliación, propiedades ópticas y la regularidad de la forma externa, que los cristales tienen una estructura ordenada; pero su idea de la geometría de las redes cristalinas estaba basada únicamente en una hipótesis. Debido al empleo de la difracción de X, ha sido posible no solo medir la distancia entre planos sucesivos de un cristal,sino determinar la posición de los átomos en el mismo.
Hoy en día, es un método científico utilizado para determinar la disposición de los átomos de un sólido cristalino en espacios tridimensionales. Esta técnica se basa en el aprovechamiento del espaciado inter-atómico de la mayoría de los sólidos cristalinos al emplearlos como un gradiente de difracción para la luz de rayos X
El objetivo de la cristalografía de rayos X es obtener una estructura molecular tridimensional a partir de un cristal. Una muestra purificada a alta concentración se cristaliza y los cristales se exponen a un haz de rayos X. Los patrones de difracción resultantes se pueden procesar, inicialmente, para obtener información sobre la simetría del empaquetamiento del cristal y el tamaño de la unidad repetitiva que forma el cristal. Esto se obtiene del patrón de los puntos de difracción. Las intensidades de los puntos se pueden usar para determinar los "factores de estructura" a partir de los cuales se puede calcular un mapa de la densidad de electrones. Se pueden usar varios métodos para mejorar la calidad de este mapa hasta que sea lo suficientemente claro como para permitir la construcción de la estructura molecular usando la secuencia de la proteína. La estructura resultante se refina para ajustarse al mapa con mayor precisión y para adoptar una conformación favorecida termodinámicamente.
Métodos experimentales de difracción de rayos X
Existe una variación considerable entre las cuales se pueden medir las propiedades de sólidos cristalinos mediante la difracción de rayos X, entre ellos, los más utilizados se presentan en la siguiente tabla
Método de Laue : Utiliza un haz policromático de rayos X que incide sobre un cristal fijo; por ello, el ángulo de Bragg es invariable para cada grupo de planos hkl . Existen dos variantes del método de Laüe: por transmisión en la que el haz derayos X incide sobre el cristal y los haces transmitidos y difractados por él se recogen sobre una película y por reflexión hacia atrás.
Esquema 1 - Método de Laue
Método de Cristal Giratorio : En el método del cristal giratorio y las técnicas que derivan de él, se emplea un
monocristal. El cristal debe orientarse de tal manera que pueda hacerse girar según
uno de los ejes cristalográficos principales La cámara es un cilindro de diámetro conocido, coaxial con el eje de
giro del cristal, y que lleva en su interior una película fotográfica protegida de la luz por
una cubierta de papel negro. El haz de rayos X monocromáticos entra en la cámara a
través de un colimador e incide sobre el cristal. En estas condiciones, con el cristal
quieto, solo se producen reflexiones fortuitas.
Sin embargo, si el cristal se hace girar
lentamente, varias familias de planos reticulares serán llevados a posiciones tales que
para ellos el ángulo cumpla con la ecuación de Bragg.
Esquema 2 - Método Cristal Giratorio
Método de Weissenberg : El método de Weissenberg adopta una cámara cilíndrica y posee dos características fundamentales: una pantalla, que se conocecomo pantalla de nivel, que sólo permite el paso de los haces difractados correspondientes a un nivel, y un dispositivo mecánico que hace desplazar la película cilíndrica según un movimiento paralelo al eje de giro del cristal y sincronizado a este último
Esquema 3 - Método Weissenberg
Método de Precisión: Es la técnica de monocristal más utilizada hoy en día. En este método, un cristal y una película plana se mueven con un movimiento giratorio complejo, compensando mecánicamente las distorsiones producidas por el método de Weissenberg.
Esquema 4 - Método de Precisión
Métodos con Polvos Cristalinos: Se llamo así por el uso de un espécimen policristalino, el cual puede tener muchas formas físicas pero generalmente es un polvo. Se considera que por lo menos 8 de cada 10 de los análisis realizados por este método están orientados a la identificación de los compuestos químicos presentes en una muestra policristalina.
Presenta características poco convencionales para su utilización; es el único procedimiento que permite el estudio cristalográfico de las especies que no se presentan, o no es posible obtener, en forma de monocristales
Esquema 5 - Método de Debye-Scherrer
Bibliografía
Sands, D. E .; Introducción a la Cristalografía; Dover Publications, Inc .; Nueva York, 1975
Drenth, Jan. Principles of Protein X-ray Crystallography, 3rd edition. 2007, Springer Science + Business Media, LLC. pg. 14
Mikbail (2007) "Fundamentos de Cristalografía Depto. de Geología y Mineralogía". Instituto de Invesitación de Metalurgia y Ciencias de los Materiales, México.
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