Difracción

Qué es la difracción

La difracción describe el comportamiento de cualquier onda cuando encuentra en su camino un obstáculo o una abertura de tamaño similar a su longitud de onda. En lugar de seguir en línea recta, la onda se abre en abanico y produce, sobre una pantalla o detector, un patrón característico de zonas brillantes y oscuras que se conoce como interferencia constructiva y destructiva.

El término procede del latín diffractio, derivado a su vez del verbo diffringere ("romper en pedazos", formado sobre dis- y frangere, "quebrar"). La palabra la acuñó el jesuita boloñés Francesco Maria Grimaldi en su obra póstuma Physicomathesis de lumine, coloribus, et iride, publicada en 1665. Grimaldi describió cómo un haz de luz solar que atraviesa un pequeño orificio proyecta una mancha mayor de lo esperado si la luz viajara siempre en línea recta, lo que interpretó como un fraccionamiento de la luz en distintas direcciones.

Fundamento físico

El comportamiento se explica por el principio de Huygens-Fresnel: cada punto de un frente de onda actúa como una fuente secundaria de ondas esféricas, y la suma de todas esas ondas secundarias determina el frente siguiente. Cuando el frente encuentra una abertura o un obstáculo, algunas de esas fuentes secundarias quedan bloqueadas o desalineadas y el resultado neto es una onda que se propaga también hacia zonas en las que la óptica geométrica clásica predeciría sombra.

La condición necesaria es que el tamaño del obstáculo o de la abertura sea comparable a la longitud de onda incidente. Por eso el sonido, con longitudes de onda de decenas de centímetros a varios metros, se difracta con facilidad al pasar por puertas y esquinas; la luz visible, con longitudes de onda de unos 400 a 700 nanómetros, apenas lo hace en objetos cotidianos; y los rayos X, de longitudes de onda de unos pocos ångströms, se difractan al atravesar las redes cristalinas de la materia, cuyas distancias interatómicas son de ese mismo orden.

Tipos de difracción según la onda

Difracción de la luz. Se observa cuando la luz visible atraviesa rendijas estrechas o rodea objetos muy pequeños. Es el fenómeno detrás del experimento de la doble rendija de Thomas Young (1803), que estableció con claridad la naturaleza ondulatoria de la luz. En medicina interviene en el diseño de instrumentos ópticos como espectrofotómetros, microscopios de alta resolución y sistemas láser terapéuticos.

Difracción de rayos X. Es la aplicación con mayor recorrido médico. Descubierta por Max von Laue en 1912 y desarrollada matemáticamente por William Henry Bragg y su hijo William Lawrence Bragg en 1913 (ley de Bragg), permite determinar la disposición atómica de un material a partir del patrón de puntos que aparece en el detector. Un dato menos citado: los Bragg recibieron el Nobel de Física en 1915. Rosalind Franklin la utilizó en 1952 para obtener las imágenes de fibras de ADN que resultaron decisivas en la propuesta de la doble hélice.

Difracción de electrones. Los electrones acelerados se comportan como ondas de longitud muy corta y producen patrones de difracción al atravesar láminas delgadas de materia. La microscopía electrónica de transmisión y la criomicroscopía electrónica se apoyan en este principio para reconstruir imágenes de virus, ribosomas y complejos proteicos con resolución cercana al ångström.

Difracción de neutrones y de ultrasonidos. La primera se emplea en investigación biomédica para el análisis de estructuras hidrogenadas, como membranas biológicas. La segunda interviene en la formación de la imagen ecográfica: la resolución de una ecografía está limitada, en última instancia, por la longitud de onda del ultrasonido empleado y por los fenómenos de difracción asociados.

Aplicaciones en medicina y biomedicina

La cristalografía de rayos X constituye la aplicación clínica y biomédica más consolidada. Permite resolver la estructura tridimensional de proteínas terapéuticas, de receptores de membrana y de enzimas asociadas a enfermedad, lo que abre la puerta al diseño racional de fármacos. Buena parte de los medicamentos comercializados en las últimas décadas se ha optimizado a partir de estructuras cristalográficas de sus dianas moleculares.

En el laboratorio hospitalario, la difracción de rayos X sobre polvo se utiliza para el análisis de composición de cálculos urinarios y biliares, con una precisión que otras técnicas no ofrecen. También es habitual su empleo en investigación de biomateriales, prótesis y depósitos patológicos de hidroxiapatita o de cristales de urato monosódico. La espectroscopia aporta información complementaria a estos análisis.

Diferenciación con refracción, reflexión e interferencia

Refracción es el cambio de dirección que sufre una onda al pasar de un medio a otro con distinta velocidad de propagación (por ejemplo, la luz que entra en el ojo y se enfoca en la retina). No requiere obstáculos, sino un cambio de medio.

Reflexión es el rebote de la onda al chocar contra una superficie. Es lo que hace posible ver una imagen en un espejo o registrar el eco en una ecografía.

Interferencia es la superposición de dos o más ondas que se combinan para reforzarse o cancelarse mutuamente. Difracción e interferencia están íntimamente ligadas: el patrón que se observa tras un obstáculo es siempre resultado de la superposición de las ondas difractadas.

Preguntas frecuentes

¿De dónde viene la palabra difracción?

Del latín diffringere, "romper en pedazos", con el prefijo dis- ("en distintas direcciones") sobre el verbo frangere, "quebrar". Francesco Grimaldi eligió esa raíz porque la luz, al atravesar un pequeño orificio, parecía fragmentarse en varias direcciones. La primera aparición en un diccionario en español es de 1786.

¿Por qué se difractan los rayos X en los cristales y no en objetos comunes?

Porque la longitud de onda de los rayos X (del orden del ångström) es comparable a la distancia entre los átomos de una red cristalina. Un objeto cotidiano es, para un rayo X, un espacio abierto casi sin estructura periódica que produzca desviación apreciable. La red cristalina, en cambio, se comporta como una malla de rendijas ordenadas que dispersa el haz según ángulos precisos descritos por la ecuación de Bragg.

¿Es lo mismo difracción que dispersión?

No. La dispersión ocurre cuando una onda compuesta por varias longitudes de onda se separa en sus componentes al pasar por un medio (el arcoíris que produce un prisma es el ejemplo clásico). La difracción no requiere que la onda sea compuesta; una única longitud de onda basta para producirla al encontrar un obstáculo o abertura de tamaño adecuado.

¿Tiene la difracción alguna utilidad diagnóstica directa en la práctica clínica?

Sí. Los servicios de urología y de análisis clínicos emplean la difracción de rayos X sobre polvo para identificar la composición exacta de un cálculo urinario o biliar, lo que orienta la prevención de recidivas. En anatomía patológica se utiliza para caracterizar depósitos cristalinos en tejidos, como los cristales de urato en la gota o los de pirofosfato en la condrocalcinosis.

¿Qué relación tiene con Rosalind Franklin y la doble hélice del ADN?

Franklin obtuvo, en 1952, imágenes de difracción de rayos X de fibras de ADN de una calidad inédita hasta entonces. La más conocida, la llamada Fotografía 51, mostró un patrón de aspa característico de una estructura helicoidal, con parámetros que permitieron a Watson y Crick proponer, en 1953, el modelo de doble hélice. Sin difracción no habría habido acceso a la geometría del ADN.

Referencias

1. Real Academia Española. Difracción. Diccionario de la lengua española.
2. Instituto de Química Física Rocasolano, CSIC. Cristalografía. Los rayos X.
3. Servicios Técnicos de Investigación, Universidad de Alicante. Difracción de rayos X.
4. Real Academia Nacional de Medicina de España. Diccionario de términos médicos (DTM).