Un estudio sugiere que la teoría de la relatividad de Einstein cambia los enlaces químicos de los elementos pesados

• Un equipo de Brown University obtuvo evidencia espectroscópica directa de que, en núcleos atómicos pesados, los efectos relativistas alteran la estructura de los enlaces triples, de modo que la distinción de libro de texto entre enlaces sigma y pi deja de cumplirse de forma estricta
• En los elementos pesados, los electrones se aceleran hasta una fracción significativa de la velocidad de la luz, y el acoplamiento espín-órbita, que une el espín y la órbita de los electrones, cambia las reglas de interacción electrónica y difumina la frontera entre los enlaces sigma y pi
• Al enfriar casi hasta el cero absoluto moléculas hechas de carbono y bismuto y medirlas con espectroscopía fotoelectrónica, encontraron que el enlace no se parecía al esquema tradicional de 1 sigma y 2 pi, sino más bien a 1 pi y 2 enlaces híbridos sigma-pi
• Este resultado verifica de forma directa los efectos relativistas en elementos pesados conocidos desde la década de 1970 y muestra que es necesario revisar el modelo de libro de texto que divide estrictamente los enlaces triples en dos tipos de enlace
• El bismuto es candidato para reemplazar al plomo tóxico en paneles solares de próxima generación y también se estudia en materiales cuánticos y computación cuántica, por lo que confirmar esta estructura de enlace relativista podría impactar directamente la investigación en química de elementos pesados

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Enlaces triples que cambian en los elementos pesados

• Los átomos se enlazan compartiendo electrones con carga negativa, y el par de electrones formado cuando cada átomo aporta uno atrae a los dos núcleos atómicos con carga positiva
  • Cuando se comparten dos o más pares de electrones, se forman enlaces dobles o triples
• El modelo tradicional del enlace triple está compuesto por 1 enlace sigma, un enlace frontal fuerte, y 2 enlaces pi, que son enlaces laterales relativamente más débiles
  • El enlace sigma se forma a lo largo de un eje horizontal imaginario entre los dos núcleos atómicos
  • Los 2 enlaces pi se forman rodeando al enlace sigma
• Este modelo funciona para elementos ligeros, pero en los elementos pesados de la parte baja de la tabla periódica, la gran masa del núcleo hace que los electrones se aceleren hasta una fracción significativa de la velocidad de la luz, por lo que la teoría de la relatividad de Einstein se vuelve importante
• En el régimen relativista, el espín, que es el momento magnético del electrón apuntando hacia arriba o hacia abajo, y la órbita electrónica dejan de ser independientes entre sí; a esto se le llama acoplamiento espín-órbita
  • El acoplamiento espín-órbita cambia las reglas de interacción entre electrones y rompe la separación estricta entre enlaces sigma y pi
  • El número total de enlaces sigue siendo 3, pero resulta difícil clasificar cada uno con claridad como sigma o pi

Método y resultados de la medición directa del enlace carbono-bismuto

• En un estudio publicado en Science, un equipo de Brown University creó moléculas con carbono y el elemento pesado bismuto para investigar la hibridación relativista de enlaces
  • El bismuto está justo al lado del plomo en la tabla periódica, por lo que es un elemento pesado en el que se espera que los efectos relativistas sean importantes
  • El equipo enfrió las moléculas casi hasta el cero absoluto y luego las analizó con espectroscopía fotoelectrónica
• La espectroscopía fotoelectrónica usa un láser para desprender uno por uno los electrones de una molécula de su posición original, y determina la fuerza del enlace a partir de la distancia que recorren
• El espectro fotoelectrónico medido mostró que el enlace carbono-bismuto no coincide con la estructura tradicional de enlace triple formada por 1 sigma y 2 pi
  • La estructura real estaba más cerca de 1 enlace pi y 2 enlaces híbridos con características mezcladas de sigma y pi
• La idea de que la relatividad importa en los elementos pesados existe desde la década de 1970, pero este estudio aporta evidencia espectroscópica directa de que el modelo de enlace enseñado en química de secundaria no se ajusta a los elementos pesados
• El bismuto podría reemplazar al plomo tóxico en paneles solares de próxima generación y también despierta interés en la investigación de materiales cuánticos y computación cuántica
  • A medida que se trabaje más con elementos pesados, esta estructura relativista podría convertirse en un nuevo modelo de libro de texto
• La investigación recibió apoyo de la National Science Foundation de EE. UU. con CHE-2403841 y del Department of Energy con DE-SC0008501

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Comentarios de Hacker News

• Debido a los efectos relativistas, el mercurio es líquido a temperatura ambiente. Como los electrones internos se mueven a alrededor del 60% de la velocidad de la luz, atraen con más fuerza a los electrones externos, lo que dificulta el enlace y la formación de un sólido
  Pero no soy físico, así que por favor no tomen esta explicación al pie de la letra para diseñar una nave espacial

  • Entonces la pregunta más interesante es por qué este mismo fenómeno no aparece en los elementos vecinos del mercurio en la tabla periódica
  • Por otro lado, todos los quarks dentro de un átomo común se mueven a velocidades de alrededor de 0.99995c

• Me parece interesante que en el régimen relativista aparezca el acoplamiento espín-órbita, donde el espín y la órbita del electrón dejan de ser independientes. Nunca había oído hablar de enlaces sigma o enlaces pi
  https://www.science.org/doi/10.1126/science.aei1285

  • Los enlaces sigma y pi suelen verse en AP Chemistry, pero gran parte de por qué o cómo funcionan se explica por encima. Cuanto más pesado es el átomo, más compleja se vuelve la forma de la nube de electrones de valencia, y cuando se enlazan dos o más átomos, se vuelve mucho más complejo
  • Estrictamente hablando, la frase citada es incorrecta. Lo que produce el efecto no es la mayor masa del núcleo atómico, sino la mayor carga nuclear y el cambio correspondiente en el potencial de Coulomb
  • Si se le diera carga positiva a una estrella de neutrones, ¿podrían los electrones orbitar a su alrededor?

• ¿No se sabía ya que la relatividad afecta los orbitales electrónicos de los elementos pesados? Lo aprendí en clases de física a mediados de los 2000, y también es conocido que el color del oro proviene de efectos relativistas
  https://physics.aps.org/articles/v10/s3

  • Este estudio parece haberlo confirmado por primera vez mediante observación experimental directa de orbitales. La idea de que la relatividad es importante en elementos pesados existe desde los años 70, pero aquí presentaron evidencia espectroscópica directa de que el modelo de enlace químico que aprendimos en la escuela no encaja con los elementos pesados
  • En general, el acoplamiento espín-órbita y los efectos relativistas en elementos pesados no son algo nuevo, y también se han estudiado mucho en uranio y plutonio. Incluso con cálculos simples, algunos electrones alcanzan velocidades relativistas
    Este hallazgo se parece más a un caso nuevo observado en un enlace específico de un ion específico. Es mejor leer el paper directamente que el comunicado exagerado de la universidad, y desde el resumen del editor ya dice: “Hace tiempo que estaba claro que este modelo empieza a tambalearse cuando un átomo es lo bastante pesado como para que intervenga la relatividad”
  • Hace 25 años también aprendí que la relatividad tenía un peso importante en las ecuaciones de química cuántica del átomo de oro. El concepto en sí es viejo y el título lleva a confusión
  • El foco del paper parece estar más específicamente en los efectos relativistas en enlaces triples que en los efectos relativistas en general
  • Ya existe incluso un artículo relacionado en Wikipedia
    https://en.wikipedia.org/wiki/Relativistic_quantum_chemistry

• La grandeza de Einstein va más allá de la ciencia
  <https://assets.press.princeton.edu/chapters/s6681.pdf>
  Se sentía orgulloso de su identidad judía, pero también se preguntaba si habría sido judío de no haber nacido en esa vida. No coincido mucho con su determinismo absoluto, pero su apellido es más conocido que el mío y que el de casi cualquier otra persona
  Obtuve un título en química medicinal a mediados de los 2000, y cuesta imaginar lo increíble que puede llegar a ser hoy la enseñanza de la ciencia con el material visual actual. Ahora se puede ver con un clic, en un navegador y sin software aparte, un modelo altamente interactivo de todos los elementos. En ese entonces, aun así saqué A aunque tenía que rotar en mi cabeza estructuras de química orgánica viendo solo impresos en 2D de la biblioteca

• Me hace ruido la frase “el bismuto podría reemplazar al plomo tóxico en la próxima generación de celdas solares”. ¿De verdad se usa plomo en los paneles solares comunes que hoy se producen en masa? Wikipedia dice que el telururo de plomo y el seleniuro de plomo se usan en fotovoltaica y detectores infrarrojos, pero en esos artículos no se mencionan paneles solares
  Si uno busca, solo aparece su uso en paneles solares flexibles con una cuota de mercado muy pequeña, y según entiendo muchos de ellos usan compuestos de cadmio en lugar de plomo. Claro, el cadmio también es tóxico
  También hay información de que se usa plomo en la soldadura para ensamblar paneles, pero en la UE el plomo para soldadura lleva mucho tiempo prohibido por RoHS salvo en algunos usos de nicho. Si los paneles solares eran una excepción, me pregunto si sigue siéndolo en 2026. Sí es cierto que el bismuto se usa en algunas soldaduras por razones parecidas a las del plomo
  Hay datos que indican que el plomo representa alrededor del 0.1% del peso en paneles reciclados, y otros que dicen que el contenido total está por debajo de los criterios de seguridad para materiales de áreas de juego infantiles. En conjunto, la expresión plomo tóxico suena a información desactualizada o a una frase para sembrar miedo, incertidumbre y duda

• Esto vuelve a confirmar experimentalmente la ecuación de Dirac, que integró la relatividad especial en la física cuántica
  PDF del paper: https://bpb-us-w2.wpmucdn.com/sites.brown.edu/dist/0/196/fil...

• ¿Qué pasa con los superfluidos y los condensados de Bose-Einstein? Me pregunto si en superfluidos como el ³He se aplican otras reglas, o si las reglas de los superfluidos también se aplican a los elementos pesados. Aquí también parece que haría falta un modelo de gravedad cuántica de superfluidos

• La relatividad también interviene en varias propiedades curiosas que muestran los elementos pesados, como el color del oro o por qué el plomo sirve como material para baterías

• ¿Se podrá predecir igualmente el aspecto cuántico con la mecánica de Bohm? ¿O será uno de esos casos interesantes en que las predicciones de las dos teorías divergen y aparece la posibilidad de refutación?

  • La mecánica de Bohm es no relativista, así que desde el principio no encajaba con fenómenos relativistas. En general produce las mismas predicciones que la mecánica cuántica no relativista, es decir, la ecuación de Schrödinger, pero por la no localidad de la onda piloto ha sido difícil encontrar una versión relativista equivalente a la ecuación de Dirac

• Qué visión tan adelantada tuvo al trabajar en la oficina de patentes y luego adelantarse a registrar los derechos de esta tecnología fundacional. En ese momento habrán pensado: “¿qué valor comercial tiene que esté mal la hora en que Mercurio tapa al Sol?”, pero ahora parecería que todas las empresas químicas del universo van a recibir una factura cada vez que fabriquen algo más complejo que gas hidrógeno
  En cambio, la relatividad galileana ya tiene la patente vencida desde hace mucho, así que se puede usar libremente dentro de aviones y otros medios de transporte moviéndose como si fueran marcos de referencia en reposo, sin pagar regalías

  • Ya estamos financiando con impuestos la investigación básica, así que sería injusto además cobrar regalías por resultados no rivales que ni siquiera se pueden monetizar