thumb|Proceso de determinación de la estructura d'una molécula por cristalografía de rayos X.
La cristalografía de rayos X ye una téunica esperimental pal estudiu y analís de materiales, basada nel fenómenu de difraición de los rayos X por sólidos n'estáu cristalino.
Los rayos X son difractados polos electrones qu'arrodien los átomos por ser el so llonxitú d'onda del mesmu orde de magnitú que'l radiu atómicu. El fexe de rayos X emerxente tres esta interacción contién información sobre la posición y tipu d'átomos atopaos nel so camín. Los cristales, gracies a la so estructura periódica, esvalixen elásticamente los fexes de rayos X en ciertes direiciones y amplificar por interferencia constructiva, aniciando un patrón de difraición.El términu 'difraición de rayos X' utilízase de cutiu pa referise a l'aplicación d'esti fenómenu a la cristalografía; sicasí, ye posible reparar difraición por materiales non cristalinos. Por casu, la estructura de la doble héliz d'ADN elucidar por primer vegada usando datos de difraición de rayos X por fibra deshidratadas d'ADN. Esisten dellos tipos de detectores especiales pa reparar y midir la intensidá y posición de los rayos X difractados, y el so analís posterior por medios matemáticos dexa llograr una representación a escala atómica de los átomos y molécules del material estudiao.
Max von Laue realizó los primeros esperimentos de cristalografía de rayos X en 1912. Von Laue, William Henry Bragg y William Lawrence Bragg desenvolvieron primero la teoría de difraición de cristales, xera a la que llueu se sumaron otros científicos. A lo llargo del sieglu XX tuvieron llugar varios meyores teórequiers y téunicos, como l'apaición de los superordenadores y l'usu de sincrotrones pa la producción de rayos X, qu'amontaron la capacidá del métodu pa determinar les propiedaes estructurales de too tipu de molécules: sales, materiales inorgánicos complexos, proteínes y hasta componentes celulares como los ribosomes. Ye posible trabayar con monocristales o con polvu microcristalino, consiguiéndose distintos datos en dambos casos: pa les aplicaciones que requiern solo una carauterización precisa de los parámetros de la rede cristalina, pue ser abonda la difraición de rayos X por polvu; pa una dilucidación precisa de les posiciones atómiques ye preferible trabayar con monocristales.
Dada la rellación esistente ente la estructura tridimensional de les molécules y les sos propiedaes químicu y físicu, la cristalografía contribuyó a la meyora en delles disciplines científiques como la química, la bioloxía molecular, la xeoloxía, la física aplicada y la ciencia de materiales. L'amplia disponibilidad de tubos de rayos X, complementada col desenvolvimientu de fontes de rayos X d'alta intensidá aumentó significativamente el so impautu nestos campos d'investigación según n'árees con aplicaciones industriales, como'l desenvuelvo de fármacos y la mineraloxía aplicada. La mayor llimitación d'esti métodu ye la necesidá de trabayar con sistemes cristalinos, polo que nun ye aplicable a disoluciones, a sistemes biolóxicos in vivo, a sistemes amorfos o a gases. En dellos casos, los rayos X pueden romper los enllaces químicos que caltienen la integridá estructural, lo que resulta nun modelu aburuyáu de la molécula estudiada. Esti problema afecta especialmente a los materiales d'interés biolóxicu.
Historia
Primeros esperimentos
La idea de que los cristales son una repetición periódica d'un grupu de molécules yá esistía enantes a que Wilhelm Conrad Röntgen afayara los rayos X en 1895. Anque les distancies típiques ente los planos de la rede cristalina desconocíense, sabíase que teníen de ser bien pequeñes comparaes cola llonxitú d'onda de la lluz visible. Esto dio-y al físicu alemán Max von Laue la idea d'utilizar cristales de sulfatu de cobre pa determinar si los rayos X componer de partícules o ondes: dedució que, si fueren ondes, tendríen de xenerar un patrón de difraición al travesar los cristales. Esta cuestión foi resuelta definitivamente cuando de Broglie introdució en 1924 el conceutu de la dualidá onda partícula. Los esperimentos realizar en 1912, cola ayuda de Walter Friedrich y Paul Knipping, dambos antiguos estudiantes de Röntgen. Estos esperimentos confirmaron la presencia de difraición cristalina, interpretada por von Laue como la estensión a tres dimensiones de la difraición de Fraunhofer por un enrexáu.
Poco dempués, los británicos William Henry Bragg y William Lawrence Bragg (padre y fíu respeutivamente) reproducieron l'esperimentu. W.L. Bragg esplicó la difraición como la interferencia de los rayos X reflexaos por planos cristalinos paralelos, introduciendo la descripción conocida dende entós como la llei de Bragg. En 1913, Paul Ewald demostró que les dos interpretaciones de los resultaos publicaes independientemente por von Laue y Bragg yeren equivalentes. Von Laue recibió'l premiu Nobel de Física en 1914 pol so descubrimientu del fenómenu, y los Bragg recibieron el mesmu premiu un añu más tarde pol so trabayu nes aplicaciones práutiques.Debíu al empiezu de la Primer Guerra Mundial, na que Suecia deseyaba caltenese puramente neutral y nun dar la impresión de que se favorecía a nengún país contendiente, los premios nun fueron daos hasta dempués de la guerra. Escontra'l final de la década, llográrase determinar les llonxitúes d'onda de los rayos X y la estructura de dellos compuestos inorgánicos simples y estableciérense les bases teórequiers de la téunica gracies al trabayu de los yá mentaos investigadores, Charles Galton DarwinNieto de Charles Darwin, autor de L'orixe de les especies. y Peter Debye, ente otros.
El desenvolvimientu de la téunica: 1920-1960 El periodu ente 1920 y 1960 carauterizar por importantes adelantos metodolóxicos que favorecieron l'emplegu de la difraición de rayos X p'analizar estructures de molécules más complexes.
Mientres la década de 1920, les meyores de la teoría cuántica sirvieron pa carauterizar más precisamente la interacción ente los rayos X y los átomos de los cristales; esto fixo posible l'analís correutu de la intensidá de la difraición. Na mesma dómina apaecieron les tables pa determinar la simetría cristalina a partir de la distribución de reflexones nel patrón de difraición y empezáronse a usar les series de Fourier pa representar la distribución d'electrones na rede cristalina. Los desarrollos na representación matemática de la densidá electrónica siguieron hasta la Segunda Guerra Mundial, facilitando'l llogru de les primeres estructures de molécules orgániques. En 1935, el cristalógrafo británicu Arthur Patterson afayó un trucu matemáticu pa llograr les distancies interatómicas direutamente a partir de los datos esperimentales, lo que supunxo una importante meyora nel analís de la difraición.
Ente les décades de 1940 y 1960, surdieron otros procedimientos pa la determinación d'estructures, especialmente, métodos heurísticos basaos nel procesu d'ensayu y error, que demostraron ser bastante exactos en combinación con restricciones condicionantes basaes nes propiedaes físiques d'una estructura correuta, como por casu, que la densidá electrónica ten de ser siempres positiva. Nesti periodu la cristalografía empezó a adquirir importancia nel campu de la química orgánica, procesu que remató cola determinación en 1957 de la estructura de la vitamina B12, un proyeutu lideráu por Dorothy Hodgkin.
Meyores en cristalografía de macromolécules: 1960-1980
L'adelantu más trascendente mientres les décades de los 60 y 70 foi la reconocencia de la cristalografía de proteínes y de molécules arreyaes en procesos biolóxicos polo xeneral como área d'investigación clave na bioloxía molecular. L'añu 1962 marcó un finxu al otorgase dos premios Nobel poles resultaos llograos usando métodos cristalográficos nesta área: el premiu Nobel de Química foi concedíu a Max Perutz y John Kendrew polos sos estudios cristalográficos de les proteínes hemoglobina y mioglobina y el premiu Nobel de Medicina a Francis Crick, James Watson y Maurice Wilkins por afayar que l'ADN forma un doble héliz. En 1964 Dorothy Hodgkin tamién llogró'l premiu Nobel de Química pola determinación de delles estructures d'importancia biolóxica, como la penicilina y la vitamina B12, ente otres.
Un adelantu que facilitó en gran midida l'ésitu de les téuniques cristalográfiques tantu nel casu de macromolécules orgániques con un gran númberu d'átomos como nel de molécules de menor tamañu foi'l desenvolvimientu d'ordenadores dixitales; gracies a ellos foi posible usar programes pa midir y analizar fácilmente los datos llograos nos esperimentos en cuenta de realizar los aballadores cálculos manualmente. Sicasí, a la fin d'esti periodu l'estudiu de proteínes taba entá llindáu pola ausencia de fontes de rayos X intensos y l'emplegu de película fotográfica pa midir los patrones de difraición, lo que riquía un llargu procesu de reveláu y dixitalización de les imáxenes.La midida individual de reflexones de rayos X emerxentes en distintes direiciones con un fotodetector unidimensional, que facilitó l'automatización de los esperimentos con molécules pequeñes mientres esti periodu nun resultaba práctica nel casu de molécules con munchos átomos, por cuenta de la enorme cantidá de reflexones presentes nesti casu. Por cuenta de estes llimitaciones, y a pesar de la reconocencia xeneralizada del potencial de la cristalografía pa estos esperimentos, a finales de la década de 1970 el Bancu de Datos de Proteínes solo cuntaba con unos sesenta entraes.
Espansión y maduror: 1980-2010
Los tubos de rayos X, con socesives meyores, utilizáronse como la fonte primordial de rayos X pa los esperimentos de cristalografía dende los sos empiezos hasta la década de 1970, dómina na que s'empezar a esperimentar cola radiación de sincrotrón de rayos X. Los sincrotrones dedicaos puramente a la producción de rayos X apaecieron na década de 1980 y el so númberu nun dexó d'aumentar dende entós.Vease la llista en Fuentes de lluz sincrotrón. Na primer década del sieglu XXI construyeron los primeros láseres d'electrones llibres de rayos-X, capaces de producir fexes de lluz pulsiada d'una intensidá d'órdenes de magnitú mayor que nes fontes de lluz sincrotrón convencionales. La duración de los pulsos de lluz, del orde de femtosegundos ufierta la posibilidá de reparar cambeos nos cristales a escales temporales inalcanzables enantes. Mientres estos años tamién se desenvolvieron nuevos detectores bidimensionales o «d'área», capaces de xenerar direutamente una imaxe dixitalizada del patrón de difraición. Estos detectores facilitaron la rápida midida y analís de la difraición y sustituyeron totalmente a les plaques fotográfiques usaes hasta entós.
Les mentaes meyores, xuníos a la medría de la capacidá de los ordenadores modernos p'almacenar y procesar datos, dexaron llevar a cabo experimento antaño irrealizables, y desaguaron nun aumentu esponencial del númberu d'estructures elucidaes por métodos cristalográficos. El desenvolvimientu más notable tuvo llugar nel área de les macromolécules orgániques, con más de 88 000 estructures depositaes nel Bancu de Datos de Proteínes al empiezu de 2013. El llogru en 2000 de la estructura del ribosoma, un enorme complexu d'acedos nucleicos y delles proteínes onde tien llugar la síntesis de proteínes na célula, ilustra les capacidaes qu'algamó la téunica.
Aspeutos físicos
Cristales y redes cristalines thumb|left|Estructura cristalina de cloruru d'hidróxenu deuterado cola celda unidá superpuesta sobre les molécules. La rede cristalina formar por aciu la tresllación de la celda unidá a lo llargo de les direiciones definíes por y . thumb|Parámetros de la celda unidá.
Los cristales tán formaos por una repetición periódica de molécules en tres dimensiones. El cristal puede representase matemáticamente