Un nuevo tipo de Alquimia
Un aplauso para Dmitri Mendeléyev. Su tabla periódica ha hecho un trabajo notable al dar sentido a los elementos, organizándolos cuidadosamente en familias cuyos miembros comparten propiedades similares. Durante más de un siglo, ha sido la luz guía de los químicos. Pero el diseño clásico de Mendeléyev está empezando a resultar inadecuado para describir las formas inesperadas en que los elementos químicos se comportan cuando se dividen en pequeños fragmentos. Y ahora, algunos químicos creen que podría ser hora de construir una tabla completamente nueva, esta vez a partir de algo mucho más extraño que los átomos: los superátomos. Según la lista de Mendeléyev, la química de un elemento puede deducirse de su posición en la tabla periódica. Metales reactivos como el sodio y el calcio ocupan las dos columnas de la izquierda. Los gases "nobles" inertes forman la columna de la derecha, flanqueados por no metales típicos como el cloro y el azufre.
Ahora, esta imagen tan ordenada está siendo alterada por los superátomos, cúmulos de átomos de un elemento químico particular que pueden adquirir las propiedades de elementos completamente diferentes. El comportamiento químico puede alterarse, a veces drásticamente, con la adición de solo un átomo extra. "Podemos tomar un elemento y hacer que imite a varios elementos diferentes de la tabla periódica", dice Welford Castleman, un químico inorgánico de la Universidad Estatal de Pensilvania que ha estudiado la química de los superátomos de aluminio. Es un hallazgo que desafía toda nuestra comprensión de la reactividad química. Añadir superátomos a la tabla periódica la transformaría de un plano en un paisaje tridimensional en el que cada elemento se dibujaría en una serie de superelementos.
Los superátomos también podrían tener usos prácticos: podrían combinarse en supermoléculas para crear nuevos materiales. Y su química inusual podría aprovecharse para fabricar combustibles eficientes. Según el pensamiento convencional, las propiedades químicas de un átomo dependen de la forma en que los electrones que orbitan su núcleo están dispuestos en una serie de capas. Esto, a su vez, está determinado por el número de electrones que posee, solo uno en el caso del hidrógeno, por ejemplo, pero hasta 92 para un átomo del metal pesado uranio. La estructura de la tabla periódica se explica por el llenado gradual de las capas. Los átomos con capas completamente llenas, los gases nobles, como el helio, el argón y el xenón, son particularmente poco reactivos.
Los elementos más reactivos son a menudo aquellos con átomos a los que les falta solo un electrón para llenar una capa, y por lo tanto ocupan la columna contigua a los gases nobles en la tabla periódica, o aquellos con un electrón de más, que forman la columna más a la izquierda de la tabla. Esta simple imagen se vio alterada a principios de los años 80, cuando comenzaron a aparecer pruebas de que los cúmulos de átomos de un elemento podían comportarse como otro. Thomas Upton, del Instituto de Tecnología de California en Pasadena, descubrió que los cúmulos de seis átomos de aluminio podían catalizar la división de moléculas de hidrógeno de manera muy similar al rutenio, un metal utilizado como catalizador en la industria química.
Esto rápidamente llevó a la idea de extender la tabla periódica. "Algunos de nosotros empezamos a dar charlas con Mendeléyev en el título", recuerda Robert Whetten, químico de clústeres del Instituto Tecnológico de Georgia en Atlanta. ¿Qué tenían de especial estos clústeres de seis átomos? Una investigación realizada aproximadamente al mismo tiempo por Walter Knight y sus colegas de la Universidad de California, Berkeley, sobre otro tipo de clúster comenzó a proporcionar algunas pistas. El equipo de Knight estaba trabajando con un gas frío de átomos de sodio y notó que los clústeres de átomos se condensaban del gas, de forma muy parecida a las gotas de agua en una habitación con vapor. Una inspección más cercana llevó a un descubrimiento inesperado: en lugar de estar formados por números aleatorios de átomos, los clústeres contenían en su mayoría 8, 20, 40, 58 o 92 átomos. Pero, ¿por qué estos números y no otros?
Alter ego atómico
Knight y sus colegas sospechaban que se debía a la disposición de los electrones en los cúmulos. En un gran trozo de cualquier metal, incluido el sodio, algunos de los electrones de cada átomo pueden moverse libremente a través de la red sólida. Por eso los metales conducen la electricidad. Pero Knight sospechaba que si estos electrones se limitaban a un pequeño número de átomos, podrían comportarse de manera diferente. Para saber más, tomó prestado un modelo utilizado en física nuclear y lo aplicó al cúmulo de átomos. Conocido como el modelo "jellium", trata el cúmulo de átomos como si fueran una masa gelatinosa. Dentro de la masa, un electrón de cada átomo de sodio se libera para vagar por la masa. Según los cálculos de Knight, los electrones de la masa se disponen en capas, al igual que los electrones de un solo átomo, haciendo que el cúmulo se comporte como un átomo gigante.
Y cuando su equipo calculó el número de electrones que formarían capas completas en un cúmulo de gelatina, la respuesta resultó ser 8, 20, 40, etc. Dado que cada átomo de sodio contribuye con un electrón a la gelatina, esto explica por qué los cúmulos de sodio tendían a estar formados por 8, 20 y 40 átomos. Los cúmulos de este tamaño pueden considerarse las contrapartes de los superátomos de los gases nobles, porque sus capas de electrones de gelatina están completamente llenas. El modelo de gelatina de Knight explica por qué se forman cúmulos estables. Pero, ¿podría explicar por qué los cúmulos de un elemento imitan a otro, como había descubierto Upton? Avance rápido hasta mediados de los años 90, cuando Castleman estaba investigando qué sucede cuando el oxígeno reacciona con iones de cúmulos de aluminio, cúmulos a los que se les había dado un electrón extra.
Castleman observó que el oxígeno despojaba átomos de aluminio de los cúmulos uno a uno, reduciéndolos constantemente a nada a medida que avanzaba la reacción. "Podemos tomar un elemento y hacer que imite a varios elementos diferentes de la tabla periódica". Pero cuando realizó el experimento con cúmulos de varios tamaños, notó que la reacción se detenía repentinamente, dejando un cúmulo agotado. Cuando examinó más de cerca, descubrió que los cúmulos restantes contenían 13, 23 y 37 átomos de aluminio. Parecía que había algo en estos cúmulos que los hacía reacios a reaccionar con el oxígeno. Para entender qué era eso, Castleman y sus colegas recurrieron al modelo de gelatina y lo utilizaron para calcular la disposición de los electrones en los cúmulos de Al13, Al23 y Al37.
Encontraron algo similar a lo que Knight había visto en los cúmulos de sodio. Los iones de cúmulos de aluminio formados por 13, 23 y 37 átomos, más un electrón extra, tienen la cantidad justa de electrones para formar capas electrónicas cerradas. En efecto, los iones de cúmulos de aluminio con este número de átomos se comportan más como un gas noble que como el aluminio, al menos en lo que respecta a la reacción con el oxígeno. Los números son diferentes de los números en los cúmulos de Knight porque los átomos de aluminio contribuyen con más electrones a la gelatina que el sodio. Castleman se preguntó entonces qué pasaría si eliminaba el electrón extra de los cúmulos. Los elementos con un electrón menos que los gases nobles son los halógenos (flúor, cloro, bromo y yodo), que son altamente reactivos.
Efectivamente, su equipo descubrió que si eliminaban un electrón, los cúmulos neutros de Al13 experimentaban las mismas reacciones químicas que los halógenos. Además, encontraron que los iones de cúmulos de Al13, con su electrón extra, se comportaban de manera muy similar a los iones bromuro que se forman cuando los átomos de bromo ganan un electrón. Así que, sin duda, parece que el aluminio, que es un metal típico, puede hacerse comportar como un no metal clásico si está en forma de superátomo. ¿Hasta dónde llega la similitud? Para probar la química del superátomo de aluminio, el equipo de Castleman investigó cómo reacciona con una molécula de halógeno como el yodo. Se sabe que los iones bromuro se adhieren a las moléculas de gas yodo para crear iones BrI2–.
De manera similar, los iones de yodo se unen a las moléculas de yodo para formar iones de triyoduro, I3–, y luego se pueden agregar más moléculas de yodo para crear I5– e I7–. Castleman pensó que si los iones de cúmulos de Al13 realmente imitan a los iones de haluro, entonces también deberían experimentar la misma reacción. Así que su grupo lo intentó. Efectivamente, descubrieron que podían crear Al13I2– y Al13I4–. Ciertamente parecía prometedor. "Entonces empezamos a trabajar con otros cúmulos de aluminio", dice Castleman, y fue entonces cuando descubrieron que también podían lograr que el aluminio imitara a otro elemento. En reacciones con gas yodo, encontraron que un cúmulo de 14 átomos de aluminio se comporta como un metal alcalinotérreo, la familia en la segunda columna de la tabla periódica que incluye al calcio y al magnesio.
Buscando superátomos
Estos descubrimientos han impulsado a Castleman y sus colegas a rastrear la tabla periódica en busca de más superátomos. Hasta ahora, han encontrado indicios de que la reactividad química de los cúmulos que combinan átomos de vanadio y oxígeno cambia drásticamente con el número de átomos en el cúmulo. Pero, dejando de lado la curiosidad, ¿cuál es el objetivo? ¿Qué se puede ganar al fabricar un compuesto con un superátomo que imite un elemento como el bromo, en lugar de usar el propio bromo? Una respuesta es que los superátomos podrían proporcionar tipos de materiales completamente nuevos, incluidos los cristales "expandidos". En un sólido como el cloruro de sodio, los átomos están apilados como naranjas en una exhibición de mercado. En un cristal expandido, los átomos serían reemplazados por una pila de superátomos gigantes.
Los cristales expandidos podrían tener propiedades útiles. A principios de la década de 1990, se descubrió que las propiedades superconductoras de los cristales de carbono-60 dopados con iones metálicos podían mantenerse a temperaturas cada vez más altas al introducir iones cada vez más grandes en la red cristalina. Aun así, la temperatura a la que el material dejaba de actuar como superconductor no era muy alta, y ciertamente estaba muy lejos de la superconductividad a temperatura ambiente que a los investigadores les encantaría lograr. Quizás los superátomos podrían ser la respuesta aquí y en aplicaciones relacionadas. Shiv Khanna, físico de la Universidad de la Commonwealth de Virginia en Richmond, que trabaja con Castleman, espera que reemplazar el yodo en los polímeros conductores con superátomos de aluminio podría mejorar su conductividad.
No todos los investigadores comparten su optimismo. "Existe escepticismo, expresado principalmente por físicos y teóricos, de que un material cristalino compuesto por grandes cúmulos de aluminio pueda lograrse alguna vez", admite Whetten. "Pero mi opinión es que uno de estos proyectos finalmente tendrá éxito". Castleman confía en que el ingenio de los químicos prevalecerá. "Los físicos no aprecian la inmensa variedad de enfoques químicos para sintetizar nuevos materiales", dice. Espera poder usar cúmulos para construir materiales con propiedades hechas a medida. Otra de las esperanzas para los superátomos es que podrían usarse para disfrazar la química normal de un elemento.
El aluminio podría ser un aditivo útil para los combustibles sólidos porque libera enormes cantidades de energía cuando se quema. Pero hay un problema: el polvo fino de aluminio es tan reactivo que los granos a menudo se oxidan incluso antes de llegar a la cámara de ignición, lo que los inutiliza para potenciar el combustible. Castleman cree que la solución podría residir en los iones de cúmulos de Al13 similares a los gases nobles, que no reaccionan con el oxígeno. Su plan es combinarlos con algún tipo de molécula orgánica combustible y mezclar el compuesto resultante con el combustible. "Sería totalmente estable", dice, "hasta que una llama expulse el electrón extra". En ese momento, el disfraz del cúmulo desaparecería, devolviéndolo a su forma neutra reactiva.
La idea "apenas está comenzando", dice Castleman, y advierte que aún no sabe si funcionará. Pero parece lo suficientemente prometedora como para haber atraído a la fuerza aérea de EE. UU., que lo está financiando para que investigue más a fondo. Sin embargo, aplicaciones como estas no son el objetivo principal, al menos en lo que respecta a los químicos. Para ellos, los superátomos podrían proporcionar un medio para cambiar algo que antes habían aceptado como dado: las propiedades químicas de los elementos. Ahora están a punto de poder controlar y alterar la forma en que reaccionan los elementos. Es una especie de alquimia, pero no necesita magia. Todo lo que tienes que hacer es contar el número correcto de átomos.
Del número 2495 de la revista New Scientist, 16 de abril de 2005, página 30
El tamaño sí importa
Durante casi dos siglos, los investigadores han sabido que cuando la materia se divide en trozos muy pequeños, se comporta de formas nuevas y a veces sorprendentes. Uno de los ejemplos más recientes se observa en el cambio de color de la luz producida por algunos materiales fluorescentes si se cortan en motas a nanoescala. Cuando el semiconductor seleniuro de cadmio se ilumina con luz blanca, normalmente fluoresce en la parte infrarroja del espectro. Pero si se prepara en forma de granos de solo unas pocas decenas de nanómetros de ancho, la longitud de onda de la luz que emite se acorta, colocándola en la parte roja o amarilla del rango visible.
La luz se emite cuando los electrones del semiconductor saltan entre niveles de energía cuantificados. Confinar los electrones dentro de nanopartículas cambia los niveles de energía, haciendo que la brecha entre ellos sea mayor. Como resultado, los fotones de luz fluorescente tienen más energía, lo que a su vez significa que su longitud de onda es más corta. Este efecto permite que el color de la luz emitida por las nanopartículas se ajuste simplemente cambiando su tamaño. Las partículas ya se están utilizando como etiquetas luminosas para marcar células y podrían convertirse en pequeñas fuentes de luz para comunicaciones ópticas.
