Cuasicristales, la simetría prohibida de Shechtman
En los cristales los átomos se ordenan según patrones repetidos que forman simetrías. Este orden regular, común en gran cantidad de sustancias, sirvió para que se estableciera una regla básica: “Desde el punto de vista químico, los sólidos se clasificaban en cristalinos y amorfos”. Pero, contra todo pronóstico, el 8 de abril de 1982 el investigador Daniel Shechtman se topó en el microscopio con una estructura imposible, la imagen mostraba una simetría “prohibida” que violaba las leyes de la cristalografía y su primer pensamiento fue que algo así no podía existir.
El primero en cuestionarse el hallazgo fue él mismo, revisó el experimento en innumerables ocasiones y los resultados siempre eran los mismos; un extraño patrón de puntos luminosos con un orden que no figuraba en las Tablas de Cristalografía.
Dos años más tarde, convencido de su descubrimiento, intentó publicarlo en la revista Journal of Applied Physics, pero el artículo fue rechazado. Y a partir entonces comenzó su calvario, ya que gran parte de la comunidad científica no solo lo cuestionaba, sino que se burlaba de él y le hacía el vacío. El jefe de su grupo de investigación le dio un libro de cristalografía básica, sugiriéndole que le echara un vistazo. La situación llegó a ser tan tensa que le invitó a abandonar el grupo.
Shechtman no desistió, pidió a algunos colegas que comprobaran sus datos y junto a Ilan Blech, John Cahn y el cristalógrafo francés Denis Gratias intentaron interpretar los resultados, repitieron el experimento, vieron que era fiable y, en 1984, publicaron en conjunto el artículo «Metallic Phase with Long-Range Orientational Order and No Translational Symmetry» (Fase metálica con orden orientacional de largo alcance y sin simetría traslacional) que cayó como una bomba, porque cuestionaba un dogma aparentemente irrefutable de la química, que todos los cristales consisten en la repetición periódica de patrones.
Lo que Shechtman descubrió bajo el microscopio fue una nueva e inesperada forma de organización de la materia sólida, se encontró con un cristal en el que las estructuras atómicas formaban un patrón regular que nunca se repetía a sí mismo. El material no era amorfo porque tenía una estructura simétrica, pero tampoco cristalino porque no se mantenía la simetría de traslación, y lo denominó cuasicristal.
El problema era que desde el punto de vista químico, los sólidos se clasificaban en cristalinos y amorfos y el que Shechtman describía no sólo era inexistente, sino que contradecía uno de los principios clásicos de la cristalografía, creando una nueva clase en medio de las dos grandes categorías de la materia sólida: el cristal, con sus átomos dispuestos en orden, y la materia amorfa, totalmente desordenada.
Las críticas fueron feroces y uno de sus mayores detractores fue Linus Pauling, dos veces ganador del Premio Nobel, que le descalificó diciendo «Danny Shechtman solo dice sandeces, no hay cuasicristales, solo cuasicientíficos». Su autoridad fue un lastre para la aceptación de su descubrimiento.
Afortunadamente, tras la publicación del artículo, se abrió una brecha y otros investigadores, al revisar sus trabajos, encontraron entre sus datos imágenes con patrones similares, pero o nadie había caído en la cuenta o sencillamente atrapados en las convenciones no se atrevieron a cuestionar el conocimiento establecido.
Posteriormente, comenzaron a analizarse las propiedades especiales de estos materiales para determinar su potencial tecnológico y cientos de cuasicristales han sido sintetizados en laboratorios de todo el mundo.
Tras mucha controversia, los cristalógrafos aceptaron la existencia de un nuevo tipo de organización de la materia: los cuasicristales. En 1992, Shechtman obtuvo su primer triunfo, cuando la Unión Internacional de Cristalografía modificó la definición de lo que era un cristal. Anteriormente se había definido como «una sustancia en la que los átomos constituyentes, moléculas o iones se empaquetan en una forma ordenada, repitiendo una estructura tridimensional». La nueva definición se convirtió en «cualquier sólido que tiene un diagrama de difracción esencialmente discreto», lo que permite incluir futuros descubrimientos de otros tipos de cristales.
El descubrimiento ya se había asentado en la comunidad científica, pero los cuasicristales solo se habían observado en materiales artificiales y algunos investigadores se preguntaban si existirían en la naturaleza. Un grupo de investigación de la Universidad de Florencia inició una búsqueda de minerales cuasicristalinos y, finalmente, lo encontraron, pero no en una roca terrestre sino en un meteorito encontrado en 1979 en la Península de Kamchatka (Rusia). Lo bautizaron con el nombre de icosaedrita por su estructura icosaédrica. Actualmente, el estudio de los cuasicristales extraterrestres está despertando un gran interés en la comunidad científica por la información que puede aportar sobre el sistema solar.
La hipótesis era que estas estructuras eran de origen extraterrestre, ya que para su formación requerían ambientes extremos, que rara vez existen en nuestro planeta. Pero ¿en una explosión nuclear? El 16 de julio de 1945, se llevó a cabo en Alamogordo (Nuevo Mexico), la prueba Trinity y esta detonación nuclear creó un material completamente nuevo, similar al vidrio llamado trinitita, el cuasicristal icosaédrico Si61Cu30Ca7Fe2.
En su artículo “Síntesis accidental de un cuasicristal desconocido hasta entonces en la primera prueba de una bomba atómica” el equipo de investigación destaca que «se trata del cuasicristal antropogénico existente más antiguo que se conoce actualmente, con la particularidad de que el momento preciso de su creación está grabado de forma indeleble en la historia».
A Shechtman tardaron casi 30 años en reconocerle el hallazgo pero, finalmente, en 2011, recibió el Nobel de química por el descubrimiento de los cuasicristales, que la Academia Sueca definió como «los mosaicos fascinantes del mundo árabe que se reproducen en el nivel atómico». Su caso es uno más en la historia de la ciencia, que muestra cómo ideas consideradas «verdades» establecidas pueden ser un obstáculo para cualquier descubrimiento.
Las simetrías y tesalaciones siempre me han apasionado y, cuando conocí la historia de Shechtman y los cuasicristales, escribí este poema.
En el límite del cristal, en el límite del ars magna
A Daniel Shechtman
En el cauce del río Khatyrka
cubierta por el musgo
yace dormida la piedra de la locura,
los salmones en el desove la rozan con sus lomos.
Como un verso,
al borde del ars magna,
la simetría prohibida
se unge con esferas diminutas
suspendidas entre el cristal y el no cristal,
–el cuasicristal–
en un reino mineral anfibio
donde descansan los sólidos que se creían imposibles.
Esta entrada es mi aportación al tema Obstáculos de #polivulgadores de @hypatiacafe.
establo Pegaso 