Viaja lo suficientemente profundo por debajo de la superficie de la Tierra o dentro del centro del sol, y la materia cambia a nivel at\u00f3mico. La creciente presi\u00f3n 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.<\/p>\n\n\n\n
Ahora, un estudio dirigido por la Universidad de Buffalo ha revelado el enlace qu\u00edmico detr\u00e1s de este fen\u00f3meno particular de alta presi\u00f3n. Si bien se ha teorizado que la alta presi\u00f3n esencialmente exprime los electrones del sodio hacia los espacios entre los \u00e1tomos, los c\u00e1lculos qu\u00edmicos cu\u00e1nticos de los investigadores muestran que estos electrones todav\u00eda pertenecen en gran medida a los \u00e1tomos circundantes y est\u00e1n unidos qu\u00edmicamente entre s\u00ed.<\/p>\n\n\n\n
“Estamos respondiendo a una pregunta muy simple de por qu\u00e9 el sodio se convierte en un aislante, pero predecir c\u00f3mo se comportan otros elementos y compuestos qu\u00edmicos a presiones muy altas potencialmente brindar\u00e1 informaci\u00f3n sobre cuestiones m\u00e1s amplias”, dice Eva Zurek, Ph.D., profesora de qu\u00edmica 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 Qu\u00edmica Alemana. “\u00bfC\u00f3mo es el interior de una estrella? \u00bfC\u00f3mo se generan los campos magn\u00e9ticos de los planetas, si es que existen? \u00bfY c\u00f3mo evolucionan las estrellas y los planetas? Este tipo de investigaci\u00f3n nos acerca a la respuesta a estas preguntas”.<\/p>\n\n\n\n
El estudio confirma y se basa en las predicciones te\u00f3ricas del fallecido f\u00edsico Neil Ashcroft, a cuya memoria est\u00e1 dedicado el estudio. Alguna vez se pens\u00f3 que los materiales siempre se volv\u00edan met\u00e1licos bajo alta presi\u00f3n, como el hidr\u00f3geno met\u00e1lico que, seg\u00fan la teor\u00eda, forma el n\u00facleo de J\u00fapiter, pero el art\u00edculo fundamental de Ashcroft y Jeffrey Neaton de hace dos d\u00e9cadas encontr\u00f3 que algunos materiales, como el sodio, en realidad pueden convertirse en aislantes o semiconductores cuando se comprimen. Teorizaron que los electrones del n\u00facleo del sodio, que se pensaba que eran inertes, interactuar\u00edan entre s\u00ed y con los electrones de valencia externos cuando estuvieran bajo presi\u00f3n extrema.<\/p>\n\n\n\n
“Nuestro trabajo ahora va m\u00e1s all\u00e1 del panorama f\u00edsico pintado por Ashcroft y Neaton, conect\u00e1ndolo con conceptos qu\u00edmicos de enlace”, dice el autor principal del estudio dirigido por la UB, Stefano Racioppi, Ph.D., investigador postdoctoral en el Departamento de Qu\u00edmica de la UB.<\/p>\n\n\n\n
Las presiones que se encuentran debajo de la corteza terrestre pueden ser dif\u00edciles de replicar en un laboratorio, por lo que utilizando supercomputadoras en el Centro de Investigaci\u00f3n Computacional de la UB, el equipo realiz\u00f3 c\u00e1lculos sobre c\u00f3mo se comportan los electrones en los \u00e1tomos de sodio cuando est\u00e1n bajo alta presi\u00f3n. Los electrones quedan atrapados dentro de las regiones interespaciales entre los \u00e1tomos, lo que se conoce como estado electrido. Esto provoca la transformaci\u00f3n f\u00edsica 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 c\u00e1lculos de los investigadores mostraron por primera vez que la aparici\u00f3n del estado electrido puede explicarse mediante enlaces qu\u00edmicos.<\/p>\n\n\n\n
La alta presi\u00f3n hace que los electrones ocupen nuevos orbitales dentro de sus respectivos \u00e1tomos. Luego, estos orbitales se superponen entre s\u00ed para formar enlaces qu\u00edmicos, lo que provoca concentraciones de carga localizadas en las regiones intersticiales. Si bien estudios anteriores ofrec\u00edan una teor\u00eda intuitiva de que la alta presi\u00f3n expulsaba los electrones de los \u00e1tomos, los nuevos c\u00e1lculos encontraron que los electrones todav\u00eda son parte de los \u00e1tomos circundantes.<\/p>\n\n\n\n
“Nos dimos cuenta de que no se trata simplemente de electrones aislados que deciden abandonar los \u00e1tomos, sino que los electrones se comparten entre los \u00e1tomos en un enlace qu\u00edmico”, dice Racioppi. “Son bastante especiales”.<\/p>\n\n\n\n
Otros contribuyentes incluyen a Malcolm McMahon y Christian Storm de la Escuela de F\u00edsica y Astronom\u00eda y el Centro de Ciencias en Condiciones Extremas de la Universidad de Edimburgo. El trabajo fue apoyado por el Centro para la Materia a Presi\u00f3n At\u00f3mica, un centro de la Fundaci\u00f3n Nacional de Ciencias dirigido por la Universidad de Rochester que estudia c\u00f3mo la presi\u00f3n dentro de las estrellas y los planetas puede reorganizar la estructura at\u00f3mica de los materiales.<\/p>\n\n\n\n
“Obviamente es dif\u00edcil realizar experimentos que repliquen, digamos, las condiciones dentro de las capas atmosf\u00e9ricas profundas de J\u00fapiter”, dice Zurek, “pero podemos usar c\u00e1lculos y, en algunos casos, l\u00e1seres de alta tecnolog\u00eda, para simular este tipo de condiciones”.<\/p>\n\n\n\n