Breve historia de la cristalografía: (XI) asimetrías y juegos de luz

Palacio de Luxemburgo

A última hora de una tarde de 1808 un veterano de la Expedición a Egipto se entretenía paseando por los jardines de Luxemburgo, que desde 1791 eran, como el palacio del mismo nombre, “propiedad nacional”. Llevaba en el bolsillo un cristal de espato de Islandia con el que se entretenía de vez en cuando observando objetos a su través. En un momento dado, ocurrió algo curioso: mientras observaba la luz reflejada en los cristales del palacio se dio cuenta de que, en vez de ver dos imágenes igualmente brillantes, aparecía una mucho más brillante que la otra. Como después diría Pasteur, la suerte favorece a la mente preparada; Étienne-Louis Malus dedujo que el efecto tenía que estar relacionado con el hecho de que la luz fuese reflejada. La luz, concluyó, se polarizaba al reflejarse.

Malus

Malus publicó su descubrimiento en 1809. En 1810 publicaría la teoría de la doble refracción de la luz en los cristales e ingresaría en la Académie des Sciences de París. Poco después inventaría los primeros filtros polarizadores y polariscopios. Ambos se basaban en la reflexión de un haz de luz no polarizada en un ángulo determinado, hoy llamado ángulo de Brewster.

Hacer experimentos con luz polarizada se convirtió en la moda científica del momento y, como era de esperar, empezaron a hacerse nuevos descubrimientos muy pronto. Así, por ejemplo, los de un jovencísimo astrónomo del Observatorio de París y miembro de la Academia y del consejo de la École Polytechnique desde los 23 años, François-Jean-Dominique Arago (científico y hombre excepcional con amplios intereses políticos, llegó a ser de facto, durante mes y medio, jefe del estado francés). Arago fue el primero en observar el cambio de color cuando un haz de luz polarizada pasaba a través de un cristal de cuarzo (1811).

Biot

Compañero de aventuras y correrías del joven Arago, Jean-Baptiste Biot observó la rotación óptica (hoy diríamos actividad óptica) de los cristales de cuarzo (1812) y de algunas sustancias orgánicas: el aceite de trementina, los extractos cítricos, el extracto de laurel, las disoluciones de alcanfor, el azúcar (1815). Biot observó además que los compuestos orgánicos retenían su actividad óptica independientemente de su estado de agregación, esto es, el azúcar es dextrorrotatoria (gira el plano de polarización a la derecha desde el punto de vista del observador) tanto esté en forma cristalina como en disolución. El cuarzo fundido, sin embargo, es ópticamente inactivo. Biot llegó a la conclusión de que la rotación óptica de los compuestos orgánicos es una propiedad molecular, mientras que la rotación óptica del cuarzo es una propiedad del cristal, el resultado de cómo se empaquetan las “moléculas”.

Pero Biot fue más allá. Afirmó que la causa de la actividad óptica era la asimetría . Por tanto, las moléculas orgánicas serían asimétricas, mientras que los cristales de cuarzo serían ordenamientos asimétricos de moléculas simétricas. En lenguaje actual las moléculas asimétricas en el sentido de Biot se denominan quirales, y las simétricas, aquirales. Por otra parte hoy sabemos que no existen moléculas de cuarzo (SiO2) ni en los cristales ni en el fundido, por lo que algo que no existe no puede ser quiral.

Caras hemiédricas

Pocos años más tarde John William Herschel describió la existencia de caras hemiédricas en los cristales de cuarzo, es decir, cristales en los que sólo aparecen la mitad de las caras para la máxima simetría (holoedría) que permite el sistema cristalino. Herschel descubrió que existen dos tipos de cristales hemiédricos, los que sólo tienen caras hemiédricas zurdas y los que sólo tienen caras hemiédricas diestras, y que son imagen especulares unos de otros (en la imagen cristales hemiédricos de tartrato de sodio y amonio).

Herschel dio también el siguiente paso al correlacionar la rotación óptica con la hemiedría: los cristales zurdos eran levorrotatorios (giraban el plano de la luz polarizada a la izquierda) y los diestros, dextrógiros. Esto supuso la primera confirmación independiente de la relación estructura-actividad propuesta por Biot.

prisma de Nicol

En 1828 William Nicol inventaba el prisma de su nombre, un dispositivo que consistía en un monocristal de espato de Islandia cortado diagonalmente y vuelto a unir con una capa intermedia de bálsamo del Canadá, un adhesivo transparente, que hacía uso de sus propiedades birrefringentes. El prisma de Nicol es un polarizador compacto y robusto que, desde 1830, contribuyó sobremanera al uso rutinario de la polarimetría en la investigación óptica y cristalográfica.

Podríamos incluso afirmar que el prisma de Nicol simboliza el nacimiento de una nueva rama del conocimiento, la óptica cristalina, cuyos pioneros fueron Arago, Biot y David Brewster en la primera mitad del siglo XIX. La observación de cristales con luz polarizada ofreció el primer vistazo a la estructura interna de los cristales, y fue el único método capaz de hacer esto hasta la aparición de la difracción de rayos X, ya comenzado el siglo XX.

Este texto es la undécima parte de la serie Notas para una breve historia de la cristalografía.

Referencias generales de la serie:

[1] Wikipedia (enlazada en el texto)

[2] Cristalografía – CSIC

[3] Molčanov K. & Stilinović V. (2013). Chemical Crystallography before X-ray Diffraction., Angewandte Chemie (International ed. in English), PMID:

[4] Lalena J.N. (2006). From quartz to quasicrystals: probing nature’s geometric patterns in crystalline substances, Crystallography Reviews, 12 (2) 125-180. DOI:

[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:

[6] Schwarzenbach D. (2012). The success story of crystallography, Zeitschrift für Kristallographie, 227 (1) 52-62. DOI:

Esta entrada es una participación de Experientia docet en el II Festival de la Cristalografía que organiza Experientia docet y en la XXXI Edición del Carnaval de Química que acoge ::ZTFNews.

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