Notable observación directa de los enlaces entre átomos de cobre y
de oxígeno.
MALCOLM W. BROWNE (NYT) , Nueva
York ( 15-09-99)
Las imágenes de los enlaces fueron logradas por un equipo de químicos y
físicos de la Universidad del Estado de Arizona, liderado por John C.H.
Spence y Jian-Min Zuo, y financiado por la Fundación Nacional de la
Ciencia de Estados Unidos. Su técnica, que utiliza rayos X y electrones
para ver las moléculas es el primer sistema capaz de obtener imágenes
tanto de los átomos en el cristal como de los enlaces de electrones que
los mantienen juntos.
Hubo un tiempo en que se pensó en el átomo como en un sistema solar en
miniatura, con electrones a modo de planetas en órbita de núcleo esférico
tipo sol. Pero desde el desarrollo de la mecánica cuántica en los años
veinte de este siglo, los científicos saben que una forma más realista de
intentar visualizar los electrones en el átomo es delimitar las regiones
del espacio en las cuales cada uno de los electrones tiene más
probabilidades de encontrarse. Las formas y los tamaños de estas regiones,
denominadas orbitales, están determinadas por la energía de los electrones
y otras tres propiedades cuánticas importantes.
Tres clases
Estos orbitales, fundamentales en el átomo, definen cómo los átomos
pueden enlazarse con otros átomos. Existen tres clases principales de
enlaces electrónicos. La más simple, el enlace metal-metal, se imagina
como un mar de electrones sueltos que mantienen los átomos de metal
juntos. En otra clase de enlace, el covalente, átomos adyacentes comparten
pares de electrones. La tercera clase de enlace químico, el iónico,
consiste en un un átomo entrega uno o más de sus electrones a otro átomo.
Los orbitales han sido considerados generalmente más como una
representación matemática útil que como una realidad física, pero Spence y
sus colegas han mostrado que los orbitales se pueden fotografiar,
teniendo siempre en cuenta el hecho de que la observación modifica la
realidad subatómica..
Los orbitales de los electrones que circundan los diferentes átomos
tienen formas diferentes, que resultan ligeramente alteradas cuando
interactúan con otros átomos para convertirse en enlaces. Detectar los
sutiles cambios en la forma de los enlaces que conectan los átomos de
cobre y de oxígeno era uno de los objetivos de la investigación del equipo
de la Universidad de Arizona, y requería medidas extremadamente precisas.
"Era tan difícil como pesar el capitán de un barco pesando el barco con
el capitán dentro y luego sustrayendo el peso del barco", comentó Spence
sobre la dificultad de su trabajo.
La compleja técnica desarrollada en la Universidad de Arizona comprende
la dispersión de los rayos X y los electrones a partir de los átomos de
una estructura cristalina. Los rayos X se dispersan sobre todo por los
núcleos de los átomos, mientras que los rayos de electrones son
dispersados sobre todo por los enlaces electrónicos que mantienen la
estructura del cristal.
Los rayos no crean directamente imágenes del núcleo o de los enlaces.
Sin embargo, cuando las ondas incidentes de rayos X o electrones salen
rebotadas de sus blancos atómicos, interfieren unos con otros y crean
complejos patrones de puntos. Estos patrones pueden ser analizados por
ordenador para reconstruir las imágenes de los núcleos y los enlaces en el
blanco.
La novedad de la técnica de Arizona consiste en la combinación de los
patrones de difracción de rayos X con los patrones formados por los
electrones dispersados, creando de esta forma imágenes compuestas tanto de
los átomos como de los enlaces que los mantienen juntos.
Para que el sistema funcionara, los científicos tuvieron que
desarrollar métodos para medir de forma precisa la dispersión y no sólo
estimar cualitativamente el grado de dispersión, como se hacía
normalmente.
Superconductores
El compuesto de óxido de cobre estudiado (cuprita) no es el mismo que
los compuestos de óxido de cobre (cupratos) que conducen la electricidad
sin resistencia a temperaturas mucho más elevadas que los superconductores
clásicos. Pero aunque no sea un superconductor, el compuesto estudiado
reveló algunas propiedades que pueden resultar útiles para entenderlos.
La mayor parte de los químicos creía que los enlaces entre los átomos
de cobre eran exclusivamente del tipo metal-metal pero hace dos décadas
Colin J. Humphries y su equipo informaron de indicios de enlaces
covalentes. Las imágenes producidas en Arizona confirmaron esta
predicción, según Spence.
El premio Nobel Roald Hoffman cree que los átomos se encuentran
demasiado separados para que existan estos enlaces. "Pero estoy muy
interesado en su técnica experimental. Parece un camino muy prometedor
para llegar a donde se encuentran los electrones en otros materiales, y
quizás se pudiera aplicar a los supeconductores de alta temperatura",
afirmó.
De los aproximadamente 20 millones de sustancias químicas que
están catalogadas, desde las simples como el agua a los gigantescos
compuestos como el ADN, la molécula biológica sede de la herencia, casi
todas son conjuntos de átomos vinculados por enlaces de electrones.
Conocer bien estos diminutos enlaces -el verdadero pegamento de la
materia- es el corazón de la ciencia química. Un paso importante en esta
línea de investigación ha sido la obtención de las mejores imágenes
directas hasta ahora de los enlaces electrónicos, los llamados orbitales.
Las formas reveladas por estas notables imágenes confirman las
predicciones teóricas del aspecto de estos enlaces químicos en la molécula
concreta estudiada.
Las imágenes
proporcionan nuevas pruebas en el debate sobre los tipos de enlaces que se
dan en una molécula hecha de átomos de oxígeno y cobre. Los autores del
estudio, publicado en la revista Nature, creen que la nueva técnica
de imagen puede eventualmente revelar uno de los misterios mayores de la
física del estado sólido, la causa de que algunos compuestos de cobre y de
oxígeno puedan conducir electricidad sin resistencia a temperaturas
relativamente altas. Algunos científicos creen que estos superconductores
de alta temperatura serán la base de gran parte de la tecnología en el
siglo XXI.
PHILIP BALL
Saber qué pasa con los enlaces de carbono a la altísima temperatura a
la que funde este elemento -unos 4.500 grados centígrados- es muy
complicado por lo difícil que es hacer medidas a esa temperatura.
Un experimento con grafito realizado en 1997 permitió atisbar los
cambios en la conductividad del carbono líquido a altas presiones. Casi
todos los líquidos tienen una estructura bastante desordenada pero algunos
muestran dos tipos diferentes de desorden lo que da lugar a dos líquidos
con densidad diferente. Esto podría ser verdad para el carbono, según las
simulaciones por ordenador hechas por los científicos del Livermore y
publicadas en Physical Review Letters.
Las simulaciones predijeron dos clases de carbono líquido, entre los
5.000 grados a 20.000 atmósferas hasta los casi 9.000 grados a presiones
más altas. La estructura de alta densidad del carbono líquido es como un
diamante irregular, mientras que la otra son cadenas de átomos.
Nadie sabe lo que pasa
cuando se funde el diamante porque nadie ha podido hacerlo. Pero ahora,
científicos del Laboratorio Nacional Livermore en California (EEUU)
predicen que el carbono no tiene un estado líquido, sino dos. La sorpresa
es relativa, si se tiene en cuenta que los dos estados sólidos del carbono
son muy diferentes. Uno es el diamante y otro es el grafito. La diferencia
reside en el tipo de enlace químico entre los átomos de carbono y ésta
puede ser también la razón de los dos posibles estados del carbono
líquido.