Aprende toda la cristalografía que usan en Breaking Bad

Breaking Bad ciencia

En la serie Breaking Bad se dan grandes lecciones sobre cristalografía y ciencia / DA

Breaking Bad se ha convertido e una auténtica serie de culto. En ella se dan los elementos esenciales para ellos: guión insuperable, personajes muy paradigmáticos, emoción, violencia, reflexión… y ¡ciencia! Porque el eje esencial de esta serie no es el mundo d ela droga, ni los cárteles… es la química que lleva al protagonista a pasar de ser un profesor de instituto a Heisenberg (nombre tomado, por supuesto, de un grande de la ciencia aunque desconocido): el mayor fabricante de la metaanfetamina más pura jamás conocida.

Pues este éxito es lo que hizo al investigador Guido Santos utilizar esta serie para hacer una charla divulgativa bajo el título ‘Los cristales de Breaking Bad’ con motivo de la celebración en La II Noche de los Jóvenes Investigadores organizada por JINTE en La Laguna.

¿Dónde hay cristales: en un vaso o en un lápiz? Pues en el lápiz ya que es grafito, que está compuesto por capas de grafeno, un cristal con estructura hexagonal. El vaso en cambio está compuesto por vulgar vidrio. Es una ofensa pensar que el vidrio es un cristal. Está claro que no saben nada de cristales, y así no se puede hacer meta. Afortunadamente siempre llevo encima una clase sobre cristales para situaciones como ésta. Una buena forma de introducir el tema vestido del mismísimo Heisenberg.

Para llegar a la famosa meta azul, primero hay que explicar qué es un cristal. Es un sólido con una estructura molecular regular. Esto es algo que se sospechaba desde hace unos 300 años, mediante la observación que cristales de un mismo compuesto presenta características geométricas iguales, como los ángulos de las aristas. Esto nos permitiría construir un cristal grande a partir de cristales más pequeños de forma modular. Si este proceso lo seguimos repitiendo con cristales cada vez más pequeños podríamos concluir que a nivel atómico debe presentar el mismo patrón geométrico ordenado. Por lo cual la geometría macroscópica de un cristal es un reflejo de la forma en que se ordenan sus átomos.

Sin embargo, pasaron muchos años hasta que puso observarse esta estructura atómica regular. El problema está en que para observar un cristal a nivel atómico necesitamos una fuente de luz que tenga una longitud de onda inferior a la escala atómica que queremos observar, y por aquella época no se conocía una luz cuya onda fuese tan pequeña. Para entender esto, imaginen que tienen que pintar un cuadro y tratan de utilizar una brocha grande. El tamaño de la brocha les impediría dibujar los detalles más finos, de la misma forma, una onda muy grande les impediría resolver la estructura fina de los cristales.

Por otro lado, un par de siglos después, se descubrieron los rayos X. Pero entonces no se sabía si éstos eran luz, o sea una onda. Para poder saber si los rayos X son ondas necesitaban hacerlos pasar a través de un entramado lo suficientemente pequeño como para poder estudiar sus características. Y parecía que de ser una onda, la longitud de la misma debía de ser minúscula. Espera un momento: así que para saber si los cristales son estructuras regulares necesitamos una fuente de luz de onda corta, y para comprobar que los rayos X son una fuente de luz de onda corta necesitamos una estructura regular pequeña para hacerlos pasar por él. No hace falta ser un químico para saber qué hay que hacer a continuación: los cristales y los rayos X estaban destinados a encontrarse.
Y así es como nace la cristalografía de rayos X. Es una técnica que permite conocer la estructura atómica de los cristales usando rayos X. La teoría es sencilla, cuando un rayo X llega a un átomo del cristal éste refleja el rayo en ondas esféricas, y esto pasa con cada uno de los átomos del cristal.

Imaginemos dos átomos próximos emitiendo ondas esféricas (mejor si lo dibujas). Las ondas se comportan algo así como luces intermitentes, a medida que se desplazan va aumentando y disminuyendo la intensidad de la luz. De la misma forma que si proyectamos el foco de dos linternas en un mismo punto la intensidad de la luz aumenta, cuando dos máximos de onda se encuentran la intensidad de la luz aumenta. Por lo cual, si seguimos las líneas que conectan los puntos en los que los máximos de las ondas que salen de los dos átomos coinciden podremos ver en qué direcciones la intensidad de la luz se verá más alta. Y si pusiéramos una película fotográfica, aparecería una serie de puntos de más intensidad, éste es el patrón de difracción. Podemos observar uno si proyectamos la luz de un láser sobre la superficie de un DVD. Veamos qué pasa cuando los átomos están un poco más separado. (Puedes probar a dibujar de nuevo los átomos ahora un poco más separados) ¿Cómo se verán los puntos de más intensidad de luz? Estarán más juntos que antes. Así que hemos encontrado una forma de conocer de forma indirecta la distancia entre los átomos de un cristal usando rayos X.

Ya que esto ocurre simultáneamente con todos los átomos del cristal, al final se obtendrá un conjunto grande de puntos a partir de los cuales, con algunas consideraciones y cálculos, se puede deducir la distribución de los átomos en la red cristalina. Y así podemos saber que el grafito está compuesto por capas paralelas de grafeno, que tiene una estructura cristalina hexagonal.

Breaking Bad

Los protagonistas de Breaking Bad ‘cocinaban’ metanfetamina azul / DA

Aunque parezca mentira, esta técnica que acabo de explicar también sirve para conocer la estructura de cosas tan complejas y grandes como una proteína. Una proteína es un mastodonte molecular con una estructura intrincadamente compleja y no regular. ¿Cómo es posible aplicar la técnica a estas estructuras? Pues gracias a que podemos cristalizarlas haciendo que las unidades de proteína se distribuyan en un patrón geométrico regular. Y fue esta técnica la que permitió, aplicada al ADN, descubrir que éste tiene una estructura de doble hélice.

Ahora que saben lo que son los cristales, les pongo una imagen de lo que tienen que conseguir. Un cristal perfecto de metanfetamina, ¡qué preciosidad! Pero tengo la sensación que en lugar de haberse dedicado a esto más bien ustedes se han estado dedicando a ver series y tocarse las narices. Pues ahora que saben lo que tienen que hacer, ¡vuelvan al trabajo!

Por Guido Santos

Jóvenes Investigadores de Tenerife (JINTE)