La tabla periódica debe ser modificada: descubren el elemento más pesado jamás estudiado químicamente

Un equipo internacional dirigido por científicos del GSI/FAIR de Darmstadt, la Universidad Johannes Gutenberg de Maguncia y el Instituto Helmholtz de Maguncia ha logrado determinar las propiedades químicas de los elementos superpesados moscovio y nihonio (elementos 115 y 113) producidos artificialmente.

De este modo, el moscovio se convierte en el elemento más pesado estudiado químicamente hasta la fecha. Ambos elementos recién caracterizados son más reactivos químicamente que el flerovio (elemento 114), que se había estudiado anteriormente en el GSI/FAIR.

Los resultados de esta investigación fueron publicados en la revista Frontiers in Chemistry.

Con este resultado, los experimentos en GSI/FAIR proporcionan ahora datos sobre los tres elementos superpesados 113, 114 y 115, lo que permite una clasificación fiable de sus propiedades y una evaluación de la estructura de la tabla periódica en esta región extrema.

A medida que los elementos se vuelven más pesados, sus numerosos protones en el núcleo aceleran los electrones que giran alrededor del núcleo a velocidades cada vez mayores, tan altas que entran en juego efectos que solo se pueden explicar con la famosa teoría de la relatividad de Einstein. La pura velocidad hace que los electrones sean más pesados.

En el caso del plomo (elemento 82), por ejemplo, los efectos de estos procesos ya se manifiestan y contribuyen a los procesos químicos en las baterías de plomo. Los vecinos de izquierda y derecha, el talio y el bismuto, se comportan de manera diferente. El efecto, aunque pequeño, se localiza en el plomo. ¿Podría un elemento superpesado ser una alternativa al plomo? ¿Y qué decir del vecino más pesado en el grupo inferior de la tabla periódica, el flerovio, el elemento 114, descubierto y estudiado químicamente solo en los últimos 20 años? Se descubrió que es bastante diferente del plomo, se transforma en gas con facilidad y es menos reactivo químicamente.

Para encontrar respuestas, también era necesario analizar a los dos elementos vecinos, el 113, el nihonio, y el 115, el moscovio. Aunque ya se habían publicado algunos indicios sobre la química del nihonio, hasta el momento nadie había logrado estudiar la química del moscovio, donde el isótopo más adecuado existe solo durante unas 20 centésimas de segundo.

Esta misma hazaña ha sido lograda por la colaboración internacional del Centro Helmholtz de Investigación Nuclear GSI en Darmstadt, Alemania. El equipo informó que ambos vecinos, el nihonio y el moscovio, muestran una reactividad química mayor que el intermedio flerovio. El efecto local observado en el plomo también se observa en el flerovio, pero de manera mucho más intensa, lo que no sorprende dada la carga nuclear mucho mayor.

La observación de un puñado de átomos fue suficiente para obtener este resultado. Sin embargo, se necesitaron dos meses de trabajo continuo las 24 horas del día en las instalaciones del acelerador de iones pesados del GSI/FAIR para lograrlo.

Según informó la nota de prensa que acompañó el hallazgo, para producir los elementos superpesados, el equipo irradió láminas delgadas que contenían americio-243 (elemento 95), un elemento artificial, con intensos haces de iones de calcio-48 (elemento 20). Su fusión dio lugar a núcleos de moscovio-288 (elemento 115), que se transformaron en una fracción de segundo en nihonio-284 (elemento 113).

El gas inerte hizo pasar ambos elementos a través de un conjunto de detectores recubiertos con una fina capa de cuarzo. Los detectores registran la desintegración de los átomos superpesados individuales y determinan si los átomos forman un enlace químico con el cuarzo lo suficientemente fuerte como para retenerlos en el lugar donde entran en contacto por primera vez con la superficie.

Un enlace más débil conduce a un mayor transporte por el gas. De esta manera, el patrón registrado en el conjunto de detectores proporciona información sobre la fuerza de los enlaces químicos y, por lo tanto, la reactividad química de los elementos. Los elementos de baja reactividad podrían incluso salir del conjunto, pero solo para encontrarse con detectores recubiertos de oro. Los enlaces con el oro son generalmente más fuertes que con el cuarzo, lo que garantiza que cada átomo estudiado sea efectivamente retenido y registrado.

“Gracias a un nuevo sistema de separación y detección química en combinación con el separador electromagnético TASCA, nuestros estudios de cromatografía de gases se han podido ampliar a elementos químicos más reactivos como el nihonio y el moscovio”, explicó en un comunicado el Dr. Alexander Yakushev de GSI/FAIR, portavoz de la colaboración internacional.

“Hemos conseguido aumentar la eficiencia y reducir el tiempo necesario para la separación química hasta tal punto que hemos podido observar el moscovio-288, de vida muy corta, y a un ritmo aún mayor de unos dos átomos detectados por semana, su hijo, el nihonio-284″, agregó.

En total, se registraron cuatro átomos de moscovio, todos en la matriz cubierta de cuarzo. Entre los 14 átomos de nihonio detectados, se observó deposición principalmente sobre cuarzo, lo que indica la formación de un enlace químico. Un átomo alcanzó la matriz cubierta de oro, lo que indica que el enlace de cuarzo no es muy fuerte. Esto contrasta con el comportamiento de los homólogos más ligeros, el talio (para el nihonio) y el bismuto (para el moscovio), que se sabe que forman enlaces fuertes con el cuarzo. De manera similar, el plomo, el homólogo del flerovio, forma enlaces fuertes con el cuarzo, mientras que el flerovio no lo hace.

El conjunto completo de datos sobre estos elementos muestra que los elementos superpesados son mucho menos reactivos que sus homólogos más ligeros, lo que se atribuye a la inercia asociada con la aparición de efectos relativistas. El efecto más pronunciado se observa localmente en el flerovio, que sigue siendo un metal, pero muy débilmente reactivo, un comportamiento que indica la presencia de (sub)capas electrónicas cerradas, casi como en los gases nobles no reactivos. Los resultados demuestran la influencia de la teoría de la relatividad de Einstein en la tabla periódica y, al mismo tiempo, establecen un nuevo récord para el elemento más pesado jamás estudiado químicamente.

Con los avances tecnológicos surgen nuevas necesidades de materiales. ¿Podrían contribuir a ello nuevos elementos? Al igual que los autos pasan de funcionar con combustibles fósiles a funcionar con electricidad, también otros elementos de nuestra vida diaria se van quedando obsoletos y se van sustituyendo por tecnología basada en materiales novedosos.

El primer dispositivo basado en flerovio aún no está a la vuelta de la esquina. Actualmente, sólo se pueden producir átomos individuales por semana, que duran menos de un segundo. A medida que avance la tecnología, esto puede cambiar y, en última instancia, se disponga de cantidades mayores.

No sabemos si servirán para baterías futuras, como agentes médicos o enriquecerán nuestras vidas de maneras inconcebibles hoy en día. Pero gracias a los innovadores experimentos de Darmstadt, los futuros investigadores tendrán una ventaja y ya conocerán la naturaleza química de estos nuevos materiales. El resultado también abre nuevas perspectivas para la instalación internacional FAIR (Facility for Antiproton and Ion Research), que actualmente se está construyendo en Darmstadt.