La ecuación para unir mundos David Gevaux, editor sénior, Nature Communications 17 de julio de 2014 | doi: 10.1038 / nature13351 De las placas fotográficas de Max von Laue, Walter Friedrich y Paul Knipping se hizo evidente de inmediato que los rayos X abrieron un vínculo entre la estructura atómica y el mundo macroscópico (Milestone 2). Lo que faltaba era una forma de cuantificar este enlace. Pero en 1912, el campo naciente de la cristalografía de rayos X tenía dos desventajas principales: poco conocimiento de la estructura atómica de los cristales y aún menos sobre la naturaleza de los rayos X. Hito 3 La ecuación para unir mundos El propio Von Laue hizo la conexión entre sus resultados y la difracción óptica: si los rayos X fueran una forma de radiación electromagnética con una longitud de onda similar al espacio entre los átomos, entonces ese patrón podría formarse como la luz visible que se refleja desde una rejilla reglada. Sin embargo, donde salió mal fue exagerar el papel de los átomos mismos. Él creía que los átomos emitían rayos X desviados después de que habían sido excitados por el haz entrante primario. Mientras que el "sentimiento óptico" de von Laue lo llevó a él y a otros a buscar respuestas por difracción, William Henry Bragg y Johannes Stark suscribieron por separado la idea de que los rayos X eran partículas. Creían que los rayos X incidentes en un cristal fueron desviados hacia "avenidas" o canales creados por la red atómica. Hito 3 La ecuación para unir mundos Pero ya sea corpuscular o basado en ondas, ninguna de estas teorías podría predecir cuantificablemente las posiciones de los puntos como lo vio von Laue en su experimento. El 11 de noviembre de 1912, se presentó a la Sociedad Filosófica de Cambridge una solución que los explicaba a todos. Durante el verano anterior, W. H. Bragg discutió extensamente con su hijo William Lawrence, que en ese momento era solo un estudiante de 22 años de la Universidad de Cambridge, posibles explicaciones para el experimento de von Laue. Es evidente que el hijo finalmente logró disuadir al padre de su teoría basada en partículas en una correspondencia posterior con Alfred Tutton. "El Dr. Tutton sugiere que el nuevo experimento posiblemente distinga entre las ondas y las teorías corpusculares de los rayos X", escribe WH Bragg en 1912. "... las propiedades de los rayos X apuntan claramente a una teoría cuasicorpuscular, y ciertas propiedades de la luz pueden interpretarse de manera similar. El problema se convierte, me parece, no en decidir entre dos teorías de rayos X, sino en encontrar, como he dicho en otra parte, una teoría que posea la capacidad de ambas. " Esto, por supuesto, es otra historia. W. L. Bragg rechazó la suposición de von Laue de que la estructura atómica de zinc-blende era una estructura cúbica simple con átomos ubicados en cada esquina. En cambio, consideró una red cúbica centrada en la cara. Y mientras que von Laue creía que la radiación de rayos X en sus experimentos comprendía cinco longitudes de onda distintas, W. L. Bragg asumió que el rayo incidente era un espectro continuo que se reflejaba desde planos sucesivos en la estructura atómica. "Una fracción diminuta de la energía de un pulso que atraviesa el cristal se reflejará en cada plano sucesivamente, y el máximo de interferencia correspondiente será producido por un tren de pulsos reflejados. Los pulsos en el tren se suceden a intervalos de 2d cosθ , donde θ es el ángulo de incidencia de los rayos primarios en el plano, d es la distancia más corta entre planos idénticos sucesivos en el cristal. Considerado así, el cristal en realidad 'fabrica' luz de longitudes de onda definidas ... " Y así, nació la ecuación de Bragg, aunque en una forma ligeramente diferente a la expresión utilizada hoy, y se estableció un puente entre lo atómico y lo macroscópico. (1913–1916) Espectrómetro de rayos X y difracción de polvo Nace una nueva cristalografía Alberto Moscatelli, editor sénior, Nature Nanotechnology 17 de julio de 2014 | doi: 10.1038 / nature13352 La adrenalina que acompaña la emoción de un descubrimiento científico fue palpable en el verano de 1913 en el laboratorio de William Henry Bragg en Leeds, Reino Unido. "Fue un momento glorioso, cuando trabajamos mucho cada noche con nuevos mundos que se desarrollan ante nosotros en el laboratorio silencioso", recuerda su hijo William Lawrence Bragg. En rápida sucesión, padre e hijo resolvieron las estructuras de varios cristales inorgánicos y de diamantes. La intuición de que los rayos X se reflejaban desde los planos de los átomos en los cristales y el descubrimiento de la ley de Bragg (Hito 3) apuntalaron esta ráfaga de actividad. También fue crucial el desarrollo de un espectrómetro de rayos X. W. H. Bragg, de unos 50 años en el momento del experimento de von Laue (Milestone 2), ya había estado trabajando en rayos X durante varios años y se había convertido en un maestro en el manejo de tubos de rayos X y cámaras de ionización. Aunque estas piezas de equipo eran extremadamente delicadas para trabajar, logró armar un instrumento que se convirtió en una herramienta esencial para la técnica naciente de la cristalografía de rayos X. Fue desarrollado a partir de un espectrómetro óptico, en el cual el elemento de difracción fue reemplazado por el cristal en estudio. Los rayos X que emanan de un tubo se colimaron a la muestra y la radiación reflejada se recogió en una cámara de ionización con un electroscopio de pan de oro. La principal diferencia de este diseño con respecto a la configuración de la placa fotográfica de von Laue fue que los rayos X se midieron en la reflexión más que en la transmisión, un avance clave que siguió al descubrimiento de la reflexión especular de los rayos X de la mica en 1912. Esta geometría le dio a los Braggs la flexibilidad de detectar los rayos X reflejados para diferentes ángulos de incidencia uno a la vez, y seleccionar ángulos de reflexión individuales de las capas de átomos en el cristal. Usando la ley de Bragg, se podría derivar la estructura cristalina de la muestra. Milestone 4: nace una nueva cristalografía Al principio, asignar una estructura era en gran medida una cuestión de imaginar átomos en el espacio; los que se pudieron resolver fueron los más simples, en su mayoría limitados a cristales cúbicos centrados en la cara. Sin embargo, en un momento en que incluso la noción de un cristal iónico no estaba bien establecida, la caracterización estructural de una sal tan simple como el NaCl fue de gran importancia. Quizás la demostración más sorprendente del poder del nuevo análisis fue la determinación de la estructura del diamante, que confirmó de manera concluyente la tetravalencia del carbono, como se postula para muchos compuestos orgánicos. El espectrómetro de rayos X de Bragg requería cristales bastante grandes, a menudo solo accesibles a través de la buena voluntad de los amigos mineralogistas. Sin embargo, en 1916– 1917, Paul Debye, Paul Sherrer e, independientemente, Alfred Hull mostraron que las muestras de polvo (policristalino) también difractaban los rayos X, lo que abre el análisis de rayos X a muchos más tipos de cristal. Los experimentos con polvos se concibieron a partir de la idea de que la difracción de los rayos X se debía a su interacción con los electrones de los átomos en la red. Debido a que, según el modelo de Bohr, los electrones están en una ubicación espacial definida en relación con el núcleo, la difracción también debería ocurrir en cristales orientados aleatoriamente (una teoría coherente detrás de este fenómeno se debería a Arthur Compton). Un resultado importante de esta idea fue que los espectros de difracción de polvo proporcionaron un medio para comparar directamente las intensidades dispersas provenientes de todos los planos de cristal, algo que no era posible usando el espectrómetro Bragg. A medida que se podían medir más y más tipos de cristales, la complejidad del análisis de datos aumentó. Ya en 1915, W. H. Bragg había propuesto utilizar la transformada de Fourier para convertir los patrones cristalográficos bidimensionales obtenidos en diferentes ángulos en un mapa tridimensional de densidad de electrones, una idea que ayudó mucho al florecimiento de los experimentos de difracción de polvo (Milestone 15).
