Los orbitales electr¨®nicos son como se pensaba

De los aproximadamente 20 millones de sustancias qu¨ªmicas que est¨¢n catalogadas, desde las simples como el agua a los gigantescos compuestos como el ADN, la mol¨¦cula biol¨®gica sede de la herencia, casi todas son conjuntos de ¨¢tomos vinculados por enlaces de electrones. Conocer bien estos diminutos enlaces -el verdadero pegamento de la materia- es el coraz¨®n de la ciencia qu¨ªmica. Un paso importante en esta l¨ªnea de investigaci¨®n ha sido la obtenci¨®n de las mejores im¨¢genes directas hasta ahora de los enlaces electr¨®nicos, los llamados orbitales. Las formas reveladas por estas notables im¨¢genes confirman las predicciones te¨®ricas del aspecto de estos enlaces qu¨ªmicos en la mol¨¦cula concreta estudiada.

Las im¨¢genes proporcionan nuevas pruebs en el debate sobre los tipos de enlaces que se dan en una mol¨¦cula hecha de ¨¢tomos de ox¨ªgeno y cobre. Los autores del estudio, publicado en la revista Nature, creen que la nueva t¨¦cnica de imagen puede eventualmente revelar uno de los misterios mayores de la f¨ªsica del estado s¨®lido, la causa de que algunos compuestos de cobre y de ox¨ªgeno puedan conducir electricidad sin resistencia a temperaturas relativamente altas. Algunos cient¨ªficos creen que estos superconductores de alta temperatura ser¨¢n la base de gran parte de la tecnolog¨ªa en el siglo XXI.Las im¨¢genes de los enlaces fueron logradas por un equipo de qu¨ªmicos y f¨ªsicos de la Universidad del Estado de Arizona, liderado por John C.H. Spence y Jian-Min Zuo, y financiado por la Fundaci¨®n Nacional de la Ciencia de Estados Unidos. Su t¨¦cnica, que utiliza rayos X y electrones para ver las mol¨¦culas es el primer sistema capaz de obtener im¨¢genes tanto de los ¨¢tomos en el cristal como de los enlaces de electrones que los mantienen juntos.

Hubo un tiempo en que se pens¨® en el ¨¢tomo como en un sistema solar en miniatura, con electrones a modo de planetas en ¨®rbita de n¨²cleo esf¨¦rico tipo sol. Pero desde el desarrollo de la mec¨¢nica cu¨¢ntica en los a?os veinte de este siglo, los cient¨ªficos saben que una forma m¨¢s realista de intentar visualizar los electrones en el ¨¢tomo es delimitar las regiones del espacio en las cuales cada uno de los electrones tiene m¨¢s probabilidades de encontrarse. Las formas y los tama?os de estas regiones, denominadas orbitales, est¨¢n determinadas por la energ¨ªa de los electrones y otras tres propiedades cu¨¢nticas importantes.

Tres clases

Estos orbitales, fundamentales en el ¨¢tomo, definen c¨®mo los ¨¢tomos pueden enlazarse con otros ¨¢tomos. Existen tres clases principales de enlaces electr¨®nicos. La m¨¢s simple, el enlace metal-metal, se imagina como un mar de electrones sueltos que mantienen los ¨¢tomos de metal juntos. En otra clase de enlace, el covalente, ¨¢tomos adyacentes comparten pares de electrones. La tercera clase de enlace qu¨ªmico, el i¨®nico, consiste en un un ¨¢tomo entrega uno o m¨¢s de sus electrones a otro ¨¢tomo.Los orbitales han sido considerados generalmente m¨¢s como una representaci¨®n matem¨¢tica ¨²til que como una realidad f¨ªsica, pero Spence y sus colegas han mostrado que los orbitales se pueden fotografiar, teniendo siempre en cuenta el hecho de que la observaci¨®n modifica la realidad subat¨®mica..

Los orbitales de los electrones que circundan los diferentes ¨¢tomos tienen formas diferentes, que resultan ligeramente alteradas cuando interact¨²an con otros ¨¢tomos para convertirse en enlaces. Detectar los sutiles cambios en la forma de los enlaces que conectan los ¨¢tomos de cobre y de ox¨ªgeno era uno de los objetivos de la investigaci¨®n del equipo de la Universidad de Arizona, y requer¨ªa medidas extremadamente precisas.

"Era tan dif¨ªcil como pesar el capit¨¢n de un barco pesando el barco con el capit¨¢n dentro y luego sustrayendo el peso del barco", coment¨® Spence sobre la dificultad de su trabajo.

La compleja t¨¦cnica desarrollada en la Universidad de Arizona comprende la dispersi¨®n de los rayos X y los electrones a partir de los ¨¢tomos de una estructura cristalina. Los rayos X se dispersan sobre todo por los n¨²cleos de los ¨¢tomos, mientras que los rayos de electrones son dispersados sobre todo por los enlaces electr¨®nicos que mantienen la estructura del cristal.

Los rayos no crean directamente im¨¢genes del n¨²cleo o de los enlaces. Sin embargo, cuando las ondas incidentes de rayos X o electrones salen rebotadas de sus blancos at¨®micos, interfieren unos con otros y crean complejos patrones de puntos. Estos patrones pueden ser analizados por ordenador para reconstruir las im¨¢genes de los n¨²cleos y los enlaces en el blanco.

La novedad de la t¨¦cnica de Arizona consiste en la combinaci¨®n de los patrones de difracci¨®n de rayos X con los patrones formados por los electrones dispersados, creando de esta forma im¨¢genes compuestas tanto de los ¨¢tomos como de los enlaces que los mantienen juntos.

Para que el sistema funcionara, los cient¨ªficos tuvieron que desarrollar m¨¦todos para medir de forma precisa la dispersi¨®n y no s¨®lo estimar cualitativamente el grado de dispersi¨®n, como se hac¨ªa normalmente.

Superconductores

El compuesto de ¨®xido de cobre estudiado (cuprita) no es el mismo que los compuestos de ¨®xido de cobre (cupratos) que conducen la electricidad sin resistencia a temperaturas mucho m¨¢s elevadas que los superconductores cl¨¢sicos. Pero aunque no sea un superconductor, el compuesto estudiado revel¨® algunas propiedades que pueden resultar ¨²tiles para entenderlos.La mayor parte de los qu¨ªmicos cre¨ªa que los enlaces entre los ¨¢tomos de cobre eran exclusivamente del tipo metal-metal pero hace dos d¨¦cadas Colin J. Humphries y su equipo informaron de indicios de enlaces covalentes. Las im¨¢genes producidas en Arizona confirmaron esta predicci¨®n, seg¨²n Spence.

El premio Nobel Roald Hoffman cree que los ¨¢tomos se encuentran demasiado separados para que existan estos enlaces. "Pero estoy muy interesado en su t¨¦cnica experimental. Parece un camino muy prometedor para llegar a donde se encuentran los electrones en otros materiales, y quiz¨¢s se pudiera aplicar a los supeconductores de alta temperatura", afirm¨®.