En algunos átomos pesados, como los del bismuto (representados en forma cristalina), los electrones se mueven a velocidades relativistas.
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La teoría de la relatividad especial de Albert Einstein puede remodelar los enlaces químicos dentro de las moléculas, y los investigadores acaban de verlo suceder por primera vez.
La teoría de la relatividad especial describe cómo moverse a velocidades cercanas a la de la luz afectaría la experiencia del espacio y el tiempo de los viajeros. Debido a esto, generalmente se asocia con aceleradores de partículas y objetos espaciales, pero dentro de algunos átomos pesados, los electrones también experimentan velocidades relativistas.
Lai-Sheng Wang, de la Universidad Brown de Rhode Island, y sus colegas han logrado observar de forma sin precedentes cómo esto rompe la noción estándar de enlaces químicos dentro de una molécula cargada hecha de bismuto y carbono.
Dentro de la molécula, un átomo de bismuto y un átomo de carbono estaban conectados por tres enlaces, uno de los cuales los investigadores esperaban que fuera del tipo “sigma” y dos del tipo “pi”. La diferencia entre estos dos tipos surge del carácter cuántico de los electrones: cada electrón está “disperso” en alguna región del espacio, en lugar de ser una bola apretada, y si estas regiones se superponen de frente o una al lado de la otra determina el tipo de enlace químico que crean entre los átomos.
En su experimento, Wang y sus colegas mapearon la distribución de electrones en toda la molécula, observando efectivamente sus enlaces. Pero en lugar de ver electrones distribuidos en formas asociadas con los enlaces sigma y pi, el equipo notó que dos de los enlaces se parecían a dos mezclas diferentes de formas sigma y pi. “Sus personajes son diferentes de lo que entendemos normalmente”, dice Wang. “Realmente no se puede llamar sigma y pi”.
Su equipo recurrió a Kirk Peterson de la Universidad Estatal de Washington, cuyos cálculos finalmente demostraron que esta mezcla era una consecuencia de que los electrones cerca del núcleo de bismuto sintieran una interacción electromagnética tan fuerte que se movían a velocidades relativistas. Dice que este efecto no se había capturado previamente en un experimento.
“Lo más difícil de [studying] Los elementos pesados son la falta de datos experimentales realmente buenos”, dice Peterson. “Tener un experimento tan hermoso para poder comparar esencialmente teorías de muy alto nivel con datos es realmente un lujo”.
Wang dice que una parte importante del nuevo experimento es que él y sus colegas podrían enfriar mucho la molécula antes de observar sus electrones. Esto amortiguó cualquier nerviosismo y excitación que hubieran hecho que las imágenes finales fueran imprecisas.
“A medida que se desciende al final de la tabla periódica, la mecánica cuántica habitual ya no es suficiente, es necesario tener en cuenta los efectos de la relatividad”, dice Trond Saue de la Universidad de Toulouse en Francia. Dice que todos los elementos de la misma fila de la tabla periódica que el bismuto se ven afectados por efectos relativistas; por ejemplo, el oro tendría el mismo color que la plata y el mercurio no sería líquido sin ellos.
Pekka Pyykkö, de la Universidad de Helsinki (Finlandia), dice que, en el caso del bismuto, el efecto relativista de su enlace con el carbono podría influir en la forma en que se utilizan los compuestos orgánicos de bismuto en las reacciones químicas. De hecho, un estudio reciente realizado por investigadores del Instituto Max Planck para la Investigación del Carbón en Alemania ya ha demostrado que los efectos relativistas ayudan a hacer de este metal pesado un buen catalizador o acelerador de procesos químicos.
Wang dice que el equipo ahora quiere repetir su experimento pero cambiar el bismuto por elementos cercanos a él en la tabla periódica para ver exactamente cuándo la relatividad especial hace que la estructura tradicional del enlace químico colapse.
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