¿Cómo crecen los cristales?

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PANEL_05.indd Los cristales de fosfato monopotásico (KDP) se utilizan en la industria como dobladores de frecuencia o materiales piezoeléctricos. El National Ignition Facility es un ambicioso proyecto que utiliza 192 láseres para crear una reacción de fusión controlada – la misma reacción que alimenta al Sol – aquí en la Tierra. Para lograrlo, se necesitan 600 placas de tamaño métrico obtenidas de cristales de KDP de más de 300 kilogramos, como el de la foto crecido en el Laboratorio Nacional Lawrence Livermore (USA). Se obtienen controlando cuidadosamente la velocidad de enfriamiento de una disolución y la orientación de las semilla cristalina inicial.

Esa misma técnica de crecimiento a partir de disoluciones y un producto similar (el fosfato monoamónico se utilizan en el Concurso de Cristalización que se organiza en las escuelas de nuestro país (http://www.lec.csic.es/concurso/).

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Video mostrando como crecen los cristales gigantes de KDP mostrados arriba a la izquierda

Hasta el siglo XIX solo se usaban los cristales que se encontraban en la naturaleza, los minerales. Pero a medida que se descubrieron nuevas propiedades con aplicaciones en la industria electrónica, en las comunicaciones, en la industria farmacológica o de la alimentación, se desarrollaron distintas técnicas de crecer cristales mejores y más eficientes en los laboratorios de universidades e industrias. Hoy, los jóvenes estudiantes aprenden a hacer cristales en la escuela (http://www.lec.csic.es/concurso/).

Y ¿cómo crecen los cristales?

Los cristales crecen por acreción es decir por el apilamiento de las moléculas y átomos sobre la superficie de sus caras. Seguro que de pequeño habrá jugado a apilar bloques. Poníamos uno encima de otro y al lado otro bien ordenados. Más o menos así crecen los cristales. Las moléculas que están en la disolución se acercan a la superficie del cristal y se colocan sobre ella. Se pasean por la cara hasta llegar a un peldaño de la cara, donde se enlazan con más fuerza. Entonces se mueven por el peldaño hasta llegar hasta una posición de rincón, en la que se colocan ya de forma irreversible.

image005Ciertamente es como jugar al famoso juego del Tetris. De hecho hay una variante, el “CrystalTetris”, que se utiliza para enseñar cómo crecen los cristales. Puedes jugar on-line al cristal tetris en las páginas del Laboratorio de Estudios Cristalográficos.

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image010 El silicio para semiconductores se obtiene habitualmente por la técnica de cristalización de fundidos. En un crisol se calienta el silicio hasta una temperatura algo superior a su temperatura de fusión. Sobre ella se coloca una pequeña semilla enfriada que al tocar la superficie del fundido cristaliza el liquido en contacto. Tirando lentamente de la semilla creciente se logran cilindros de hasta dos metros de largo.

La investigación de las técnicas de crecimiento de cristales es hoy fundamental para hacer avanzar la industria.

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Cristales de óxidos para láseres o superconductores de alta temperatura. Cristales de arseniuro de galio para dispositivos electrónicos de alta frecuencia
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Cristales de diamante para su uso como abrasivo y herramientas de corte se obtienen habitualmente desde hace 50 años. Hoy también se obtienen cristales de diamante tipo gema de hasta 4 quilates. Muchas aplicaciones de nuevas tecnología necesitan películas delgadas cristalinas de pocas micras de espesor como estas de óxido de silicio. Para crecerlas se utilizan las técnicas de “Precipitación química a partir de vapores” o de “Precipitación física a partir de vapores”

Cristales de proteínas

Los proyectos de biología estructural y biomedicina requieren obtener cristales de proteínas y de ácido nucleicos de gran perfección. Incidiendo sobre ellos potentes haces de rayos X o neutrones se puede llegar a desvelar la estructura atómica de esos compuestos. Aunque solo se necesitan cristales menores de un milímetro para rayos X y de pocos milímetros para neutrones, la obtención de esos cristales es uno de los mayores retos de la cristalización hoy día.

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Composición de microfotografías de cristales de macromoléculas biológicas publicados en la revista Acta Cristalográfica F de la Unión Internacional de Cristalografía.

Cristalización en el espacio

La Granada Crystallization Facility (GCF) es un equipo para cristalización de proteínas en el espacio diseñado y construido por el Laboratorio de Estudios Cristalográficos del CSIC y la empresa NTE. Es el equipo más utilizado por diferentes laboratorios internacionales para realizar experimentos de cristalización en condiciones de microgravedad tanto con las agencias NASA, ESA o JAXA. La GCF y otros dispositivos del LEC han realizado experimentos de crecimiento de cristales en los transbordadores Discovery (Misión STS-95) y Columbia (Misión STS-107), en la Estación International del Espacio y en la nave no tripuladas Foton, usando los cohetes Progress/Soyuz y actualmente la lanzadera SpaceX-3.

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Pedro Duque en la Estación Internacional del Espacio recibiendo la Granada Crystallization Facility.

CRISTALES

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