domingo, 5 de enero de 2014

Cristalografía cumple un siglo


Gracias a ella la ciencia ha dado grandes pasos, y aunque sirve de base a muchos campos de estudio, es elativamente poco conocida.

Pero para celebrar un siglo desde que se utilizó por primera vez, la ONU proclamó 2014 como el Año Internacional de la Cristalografía y la comunidad científica espera ofrecerle un merecido reconocimiento. 

(En la foto: Imagen cristalográfica de Benzamidine, un inhibidor enzimático.)
Sitio de la UNESCO para celebrar el año de la cristalografía  http://www.iycr2014.org/home

En palabras del Premio Nobel de Química Max Perutz, la cristalografía muestra "por qué la sangre es roja y el césped verde, por qué el diamante es duro y la cera blanda, por qué el grafito escribe sobre el papel y por qué la seda es fuerte".

La historia
Cuando Rosalind Franklin y Maurice Wilkins experimentaron con la difracción de rayos X nació la icónica foto 51. Su patrón de puntos permitió a Francis Crick y James Watson revelar la hermosa estructura de doble hélice del ADN.

Los puntos de la foto 51 permitieron revelar la estructura del ADN.

Pero la historia de la cristalografía comenzó mucho antes.
El físico alemán Max von Laue fue un pionero y ganó un premio Nobel por sus experimentos en 1914. Luego William y Laurence Bragg, padre e hijo, siguieron sus pasos.

Los Braggs son considerados como los fundadores de la cristalografía de rayos X: ellos analizaron la forma en que los cristales se dispersan en patrones, o difractan, sobre platos fotográficos.

Estos patrones pueden usarse para entrever las estructuras moleculares tridimensionales del objeto bajo estudio.

La Unión Internacional de Cristalografía identifica 48 premios Nobel que pueden de alguna forma atribuirse a su ámbito.

Dorothy Hodgin usó este método para descubrir no sólo la estructura de la penicilina sino también la de la vitamina B12, y más tarde la de la insulina. En 1964 fue galardonada con el Nobel de Química.

Dorothy Hodgkin, pionera de la cristalografía.

Otras estructuras como la mioglobina o la hemoglobina también fueron reconocidas con los premios de la Real Academia Sueca de la Ciencias.

"No es posible exagerar sobre lo importante que es", dice Mike Glazer, profesor emérito de física de la Universidad de Oxford.

"Si no fuera por el descubrimiento hecho hace 100 años, el mundo tendría una apariencia muy diferente a la que tiene ahora", añade Glazer.

"Estamos rodeados de materiales sólidos, y la mayoría de ellos son cristalinos".
Lo que Braggs y von Laue hicieron nos permitió entender disposición atómica de esos sólidos. Eso es muy importante si se quieren crear nuevos materiales o entender cómo funcionan, según explica Glazer a la BBC

Un poco de misterio

Difracción por rayos X de platino.

Aunque la cristalografía es la base en la que se apoyan muchos campos de la ciencia, los científicos dicen que pocas veces atrae la atención sobre la técnica en sí misma.

"Desde el principio de los tiempos, la gente ha estado fascinada por la belleza, la pureza, el misterio y las propiedades de los cristales", dice Peter Strickland, de la Unión Internacional de Cristalografía.

Pero a pesar de ello, este método a menudo se esconde bajo otras áreas científicas.

"Aunque otras especialidades hacen uso de lo que hacemos, es verdad que muchos colegas científicos piensan que la cristalografía es un misterio", dice Glazer.
Según él, esto pasa porque determinar la estructura de objetos involucra cálculos matemáticos complejos.

"Lo que obtenemos son puntos en una película y tenemos que deducir la estructura sin tener necesariamente un modelo. Eso requiere medir la intensidad de los puntos con mucha precisión y hacer un montón de cálculos matemáticos para reformar una imagen del objeto que generó el patrón de difracción", aclara Glazer en conversación con la BBC.

"Tuvo un enorme impacto pero al mismo tiempo se sabe muy poco de ella en la esfera pública", añade el científico.

Beneficios para el futuro

 Al conocer la estructura atómica de la penicilina permitió a los científicos sintetizarla

Al conocer la estructura atómica de la penicilina permitió a los científicos sintetizarla.
La cristalografía ofrece a los científicos un conocimiento útil de la estructura de las proteínas y a partir de allí, pueden desarrollar experimentos para crear nuevos fármacos.

Es un gran ejemplo de la universalidad de la ciencia, dice Strickland.

"El desarrollo de los fármacos modernos, de la nanotecnología y de la biotecnología se basa en los resultados cristalográficos. Las propiedades de las formas sólidas de los ingredientes farmacológicos activos depende mucho de su estructura interna".

"Los experimentos cristalográficos dan base al desarrollo de prácticamente todos los materiales nuevos, desde los cotidianos como pasta de dientes, chocolate, o memoria informática hasta los componentes más avanzados de aeronaves y automóviles", enumera el experto.


"Ha pasado un siglo desde que los cristales mostraron sus secretos a los rayos X", dice Strickland. Y hasta el día de hoy, han permitido a los científicos diseñar nuevos materiales y medicamentos.

Dorothy Hodgkin usó rayos X para conocer la estructura molecular de la insulina.

Las erupciones de los supervolcanes son provocadas por la flotabilidad de la fusión


La sobrepresión generada por las diferencias de densidad en la cámara de magma, que se encuentra en la corteza terrestre debajo del volcán, puede provocar una supererupción de un supervolcán, según un estudio. Los nuevos hallazgos, publicados en 'Nature Geoscience', podrían ayudar a comprender mejor los supervolcanes, incluyendo la rapidez con la que su magma puede penetrar la corteza de la Tierra y alcanzar la superficie.

Los supervolcanes no son volcanes habituales. Su eficaz "explosión" en lugar de una erupción deja un agujero gigante en la corteza de la Tierra en lugar de un cono volcánico, una caldera volcánica que puede ser de hasta cien kilómetros de diámetro.

En promedio, los supervolcanes están activos con menor frecuencia, una vez cada 100.000 años, y desde que comenzaron los registros, ninguno ha estado activo. En consecuencia, los investigadores sólo pueden tener una vaga idea de estos eventos basándose ??en las capas de ceniza y roca que han sobrevivido.


Un equipo de investigadores encabezados por la profesora de la Escuela Politécnica Federal de Zurich (ETH-Zurich), en Suiza, Carmen Sánchez-Valle ha identificado un disparador de supererupciones determinando la densidad del magma supervolcánico gracias a un haz de rayos X en la Instalación Europea de Radiación Sincrotrón (ESRF) en Grenoble, Francia.

Los supervolcanes conocidos están situados en la caldera de Yellowstone, en Estados Unidos; el Lago Toba, en Indonesia y el Lago Taupo, en Nueva Zelanda. Sin embargo, el Campi Flegrei algo más pequeño, cerca de Nápoles, también se incluyen entre la veintena de supervolcanes conocidos en la Tierra hasta la fecha.

El hecho de que, a diferencia de los volcanes convencionales, las supererupciones no se activan únicamente por la sobrepresión provocada por la recarga de magma en la cámara de magma ha estado claro durante mucho tiempo. La cámara de magma de un supervolcán puede ser de varios kilómetros de espesor y hasta cien kilómetros de ancho, lo que hace que sea demasiado grande para mantener la suficiente presión excesiva a través de la recarga de magma.

 Hasta ahora, los científicos sólo podían especular sobre qué desencadena una supererupción. Se cree que un posible mecanismo es la sobrepresión en la cámara de magma generada a través de las diferencias de densidad entre el magma fundido menos denso y la roca comparativamente más densa de los alrededores.


"El efecto es comparable a la flotabilidad de un balón lleno de aire bajo el agua, que es forzado hacia arriba por el agua más densa alrededor de él", pone como ejemplo Wim Malfait , primer autor del estudio, hasta hace poco en la ETH Zurich y ahora investigador del Laboratorio suizo de Ciencias de los Materiales y Tecnología (EMPA) .

Para que el magma atraviese la corteza terrestre por encima de la cámara de magma y se labre un camino a la superficie, se necesita un nivel de sobrepresión que es 100 a 400 veces mayor que la presión de aire (10 a 40 megapascales). Con el fin de investigar si las diferencias en la densidad pueden generar esas altas presiones, se necesita conocer la densidad de la masa fundida de magma y el material de roca de alrededor, pero hasta ahora, no se podía medir directamente la masa fundida de magma.

Ahora, por primera vez, los investigadores han tenido éxito al determinar la densidad del magma supervolvácino con la ayuda de rayos X. "Los rayos X pueden sondear el estado, líquido o sólido, y el cambio de densidad cuando el magma se cristaliza en la roca", explica Mohamed Mezouar, científico del ESRF y coautor de la publicación en 'Nature Geoscience'.

Los científicos utilizaron una prensa especial para estudiar el magma producido artificialmente que se derrite en las mismas condiciones de presión y temperatura extremas que en el interior de una cámara de magma volcánico. con las condiciones naturales de un supervolcán. Por otra parte, los investigadores variaron el contenido de agua de las masas fundidas y, a través de los diferentes parámetros, formularon ecuaciones matemáticas que les ayudaron a reconstruir las condiciones de un supervolcán.

"Los resultados revelan que si la cámara de magma es lo suficientemente grande, la sobrepresión causada por las diferencias de densidad es suficiente para penetrar la corteza más arriba e iniciar una erupción", afirma Sánchez-Valle. Mecanismos que favorecieron las erupciones volcánicas convencionales, tales como la saturación del magma con vapor de agua o la tensión tectónica, podrían ser factores contribuyentes, pero no son necesarios para desencadenar una supererupción, señalan los investigadores.

Los supervolcanes son considerados una amenaza poco frecuente pero grave. Como no son fáciles de detectar debido a su apariencia inusual, los nuevos están todavía descubriéndose hoy. Las supereruciones expulsan al menos 450 pero a veces hasta varios miles de kilómetros cúbicos de material de roca y cenizas a la superficie y en la atmósfera.

En el caso de las erupciones explosivas, ceniza y fragmentos de roca con sus componentes químicos nocivos para el medio ambiente pueden elevarse más de treinta kilómetros de altura en la atmósfera y tienen un impacto devastador en el clima y la vida en la Tierra.


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