Viaja lo suficientemente profundo por debajo de la superficie de la Tierra o dentro del centro del sol, y la materia cambia a nivel atómico. La creciente presión dentro de las estrellas y los planetas puede hacer que los metales se conviertan en aislantes no conductores. Se ha demostrado que el sodio se transforma de un metal brillante de color gris a un aislante transparente similar al vidrio cuando se lo aprieta con suficiente fuerza.
Ahora, un estudio dirigido por la Universidad de Buffalo ha revelado el enlace químico detrás de este fenómeno particular de alta presión. Si bien se ha teorizado que la alta presión esencialmente exprime los electrones del sodio hacia los espacios entre los átomos, los cálculos químicos cuánticos de los investigadores muestran que estos electrones todavía pertenecen en gran medida a los átomos circundantes y están unidos químicamente entre sí.
“Estamos respondiendo a una pregunta muy simple de por qué el sodio se convierte en un aislante, pero predecir cómo se comportan otros elementos y compuestos químicos a presiones muy altas potencialmente brindará información sobre cuestiones más amplias”, dice Eva Zurek, Ph.D., profesora de química en la Facultad de Artes y Ciencias de la UB y coautora del estudio, que fue publicado en Angewandte Chemie, una revista de la Sociedad Química Alemana. “¿Cómo es el interior de una estrella? ¿Cómo se generan los campos magnéticos de los planetas, si es que existen? ¿Y cómo evolucionan las estrellas y los planetas? Este tipo de investigación nos acerca a la respuesta a estas preguntas”.
El estudio confirma y se basa en las predicciones teóricas del fallecido físico Neil Ashcroft, a cuya memoria está dedicado el estudio. Alguna vez se pensó que los materiales siempre se volvían metálicos bajo alta presión, como el hidrógeno metálico que, según la teoría, forma el núcleo de Júpiter, pero el artículo fundamental de Ashcroft y Jeffrey Neaton de hace dos décadas encontró que algunos materiales, como el sodio, en realidad pueden convertirse en aislantes o semiconductores cuando se comprimen. Teorizaron que los electrones del núcleo del sodio, que se pensaba que eran inertes, interactuarían entre sí y con los electrones de valencia externos cuando estuvieran bajo presión extrema.
“Nuestro trabajo ahora va más allá del panorama físico pintado por Ashcroft y Neaton, conectándolo con conceptos químicos de enlace”, dice el autor principal del estudio dirigido por la UB, Stefano Racioppi, Ph.D., investigador postdoctoral en el Departamento de Química de la UB.
Las presiones que se encuentran debajo de la corteza terrestre pueden ser difíciles de replicar en un laboratorio, por lo que utilizando supercomputadoras en el Centro de Investigación Computacional de la UB, el equipo realizó cálculos sobre cómo se comportan los electrones en los átomos de sodio cuando están bajo alta presión. Los electrones quedan atrapados dentro de las regiones interespaciales entre los átomos, lo que se conoce como estado electrido. Esto provoca la transformación física del sodio de metal brillante a aislante transparente, ya que los electrones que fluyen libremente absorben y retransmiten la luz, pero los electrones atrapados simplemente permiten que la luz pase. Sin embargo, los cálculos de los investigadores mostraron por primera vez que la aparición del estado electrido puede explicarse mediante enlaces químicos.
La alta presión hace que los electrones ocupen nuevos orbitales dentro de sus respectivos átomos. Luego, estos orbitales se superponen entre sí para formar enlaces químicos, lo que provoca concentraciones de carga localizadas en las regiones intersticiales. Si bien estudios anteriores ofrecían una teoría intuitiva de que la alta presión expulsaba los electrones de los átomos, los nuevos cálculos encontraron que los electrones todavía son parte de los átomos circundantes.
“Nos dimos cuenta de que no se trata simplemente de electrones aislados que deciden abandonar los átomos, sino que los electrones se comparten entre los átomos en un enlace químico”, dice Racioppi. “Son bastante especiales”.
Otros contribuyentes incluyen a Malcolm McMahon y Christian Storm de la Escuela de Física y Astronomía y el Centro de Ciencias en Condiciones Extremas de la Universidad de Edimburgo. El trabajo fue apoyado por el Centro para la Materia a Presión Atómica, un centro de la Fundación Nacional de Ciencias dirigido por la Universidad de Rochester que estudia cómo la presión dentro de las estrellas y los planetas puede reorganizar la estructura atómica de los materiales.
“Obviamente es difícil realizar experimentos que repliquen, digamos, las condiciones dentro de las capas atmosféricas profundas de Júpiter”, dice Zurek, “pero podemos usar cálculos y, en algunos casos, láseres de alta tecnología, para simular este tipo de condiciones”.
Fuente: Phys.org.
