Los orbitales electrónicos son como se pensaba

De los aproximadamente 20 millones de sustancias químicas que están catalogadas, desde las simples como el agua a los gigantescos compuestos como el ADN, la molécula biológica sede de la herencia, casi todas son conjuntos de átomos vinculados por enlaces de electrones. Conocer bien estos diminutos enlaces -el verdadero pegamento de la materia- es el corazón de la ciencia química. Un paso importante en esta línea de investigación ha sido la obtención de las mejores imágenes directas hasta ahora de los enlaces electrónicos, los llamados orbitales. Las formas reveladas por estas notables imágenes confirman las predicciones teóricas del aspecto de estos enlaces químicos en la molécula concreta estudiada.

Las imágenes proporcionan nuevas pruebs en el debate sobre los tipos de enlaces que se dan en una molécula hecha de átomos de oxígeno y cobre. Los autores del estudio, publicado en la revista Nature, creen que la nueva técnica de imagen puede eventualmente revelar uno de los misterios mayores de la física del estado sólido, la causa de que algunos compuestos de cobre y de oxígeno puedan conducir electricidad sin resistencia a temperaturas relativamente altas. Algunos científicos creen que estos superconductores de alta temperatura serán la base de gran parte de la tecnología en el siglo XXI.Las imágenes de los enlaces fueron logradas por un equipo de químicos y físicos de la Universidad del Estado de Arizona, liderado por John C.H. Spence y Jian-Min Zuo, y financiado por la Fundación Nacional de la Ciencia de Estados Unidos. Su técnica, que utiliza rayos X y electrones para ver las moléculas es el primer sistema capaz de obtener imágenes tanto de los átomos en el cristal como de los enlaces de electrones que los mantienen juntos.

Hubo un tiempo en que se pensó en el átomo como en un sistema solar en miniatura, con electrones a modo de planetas en órbita de núcleo esférico tipo sol. Pero desde el desarrollo de la mecánica cuántica en los años veinte de este siglo, los científicos saben que una forma más realista de intentar visualizar los electrones en el átomo es delimitar las regiones del espacio en las cuales cada uno de los electrones tiene más probabilidades de encontrarse. Las formas y los tamaños de estas regiones, denominadas orbitales, están determinadas por la energía de los electrones y otras tres propiedades cuánticas importantes.

Tres clases

Estos orbitales, fundamentales en el átomo, definen cómo los átomos pueden enlazarse con otros átomos. Existen tres clases principales de enlaces electrónicos. La más simple, el enlace metal-metal, se imagina como un mar de electrones sueltos que mantienen los átomos de metal juntos. En otra clase de enlace, el covalente, átomos adyacentes comparten pares de electrones. La tercera clase de enlace químico, el iónico, consiste en un un átomo entrega uno o más de sus electrones a otro átomo.Los orbitales han sido considerados generalmente más como una representación matemática útil que como una realidad física, pero Spence y sus colegas han mostrado que los orbitales se pueden fotografiar, teniendo siempre en cuenta el hecho de que la observación modifica la realidad subatómica..

Los orbitales de los electrones que circundan los diferentes átomos tienen formas diferentes, que resultan ligeramente alteradas cuando interactúan con otros átomos para convertirse en enlaces. Detectar los sutiles cambios en la forma de los enlaces que conectan los átomos de cobre y de oxígeno era uno de los objetivos de la investigación del equipo de la Universidad de Arizona, y requería medidas extremadamente precisas.

"Era tan difícil como pesar el capitán de un barco pesando el barco con el capitán dentro y luego sustrayendo el peso del barco", comentó Spence sobre la dificultad de su trabajo.

La compleja técnica desarrollada en la Universidad de Arizona comprende la dispersión de los rayos X y los electrones a partir de los átomos de una estructura cristalina. Los rayos X se dispersan sobre todo por los núcleos de los átomos, mientras que los rayos de electrones son dispersados sobre todo por los enlaces electrónicos que mantienen la estructura del cristal.

Los rayos no crean directamente imágenes del núcleo o de los enlaces. Sin embargo, cuando las ondas incidentes de rayos X o electrones salen rebotadas de sus blancos atómicos, interfieren unos con otros y crean complejos patrones de puntos. Estos patrones pueden ser analizados por ordenador para reconstruir las imágenes de los núcleos y los enlaces en el blanco.

La novedad de la técnica de Arizona consiste en la combinación de los patrones de difracción de rayos X con los patrones formados por los electrones dispersados, creando de esta forma imágenes compuestas tanto de los átomos como de los enlaces que los mantienen juntos.

Para que el sistema funcionara, los científicos tuvieron que desarrollar métodos para medir de forma precisa la dispersión y no sólo estimar cualitativamente el grado de dispersión, como se hacía normalmente.

Superconductores

El compuesto de óxido de cobre estudiado (cuprita) no es el mismo que los compuestos de óxido de cobre (cupratos) que conducen la electricidad sin resistencia a temperaturas mucho más elevadas que los superconductores clásicos. Pero aunque no sea un superconductor, el compuesto estudiado reveló algunas propiedades que pueden resultar útiles para entenderlos.La mayor parte de los químicos creía que los enlaces entre los átomos de cobre eran exclusivamente del tipo metal-metal pero hace dos décadas Colin J. Humphries y su equipo informaron de indicios de enlaces covalentes. Las imágenes producidas en Arizona confirmaron esta predicción, según Spence.

El premio Nobel Roald Hoffman cree que los átomos se encuentran demasiado separados para que existan estos enlaces. "Pero estoy muy interesado en su técnica experimental. Parece un camino muy prometedor para llegar a donde se encuentran los electrones en otros materiales, y quizás se pudiera aplicar a los supeconductores de alta temperatura", afirmó.