Toda buena investigación abre nuevos caminos, pero rara vez lo hace desenterrando verdades que cuestionan los fundamentos de una ciencia. Esto es lo que el profesor de cristalografía Artem R. Oganov de la Universidad Estatal de Nueva York ha hecho al producir nuevos compuestos químicos que no deberían existir según las reglas de los libros de texto de química.
La sal de mesa, también conocida como cloruro de sodio o NaCl, es uno de los compuestos químicos más conocidos y estudiados. Se cristaliza en una célula de unidad cúbica y es muy estable. Su composición química es simple, un átomo de sodio (Na) y un átomo de cloro (Cl), o al menos es así en condiciones ambientales. Otros compuestos distintos a los dos elementos están prohibidos por las reglas clásicas de la química.
Por ejemplo, de acuerdo con la regla del octeto, todos los elementos químicos se esfuerzan por llenar su capa más externa con ocho electrones, que es la configuración más estable que se encuentra en los gases nobles. El sodio tiene un electrón extra y al cloro le falta uno, así que el sodio dona un electrón al cloro, dejando a los dos átomos con una envoltura externa que contiene ocho electrones y formando un enlace iónico fuerte.
Pero la sorpresa fue cuando los científicos pusieron la sal de mesa a una presión de 200 000 atmósferas obteniendo compuestos “prohibidos” como Na3Cl y NaCl3.
“Siguiendo la predicción teórica calentamos las muestras bajo presión con el láser durante un tiempo, encontrando otros compuestos estables de Na y Cl que fueron una sorpresa. Se supone que esto no debe suceder, ya que estos compuestos requieren una forma completamente diferente de enlaces químicos con mayor energía y la naturaleza siempre favorece el estado más bajo de energía”, explica el coautor Zuzana Konôpková.
El equipo anteriormente ya había calculado antes que compuestos exóticos podrían formarse en condiciones extremas pero el hallazgo fue que estas permanecían estables.
“Hemos previsto y realizado compuestos locos que violan las reglas de los libros de texto: NaCl3, NaCl7, Na3Cl2, Na2Cl y Na3Cl. Estos compuestos son termodinámicamente estables y una vez formados, se mantienen indefinidamente, la química clásica prohíbe su existencia misma y también dice que los átomos tratan de cumplir con la regla del octeto, los elementos ganan o pierden electrones para alcanzar una configuración electrónica del gas noble más cercano, con las carcasas electrónicas externas completas que los hacen muy estables. Aquí esa regla no se cumple”, agrego.
Los experimentos ayudan a explorar una visión más amplia de la química. “Creo que este trabajo es el comienzo de una revolución en la química, hemos encontrado, a bajas presiones alcanzables en el laboratorio, compuestos perfectamente estables que contradicen las reglas clásicas de la química. Si se aplica una presión más bien modesta, 200.000 atmósferas (a efectos comparativos, la presión en el centro de la Tierra es de 3,6 millones de atmósferas), gran parte de lo que sabemos de los libros de texto de química se desmorona“, refiere Oganov.
Una razón del descubrimiento sorprendente es que la química de los libros de texto por lo general se aplica a lo que llamamos condiciones ambientales. “Aquí en la superficie de la Tierra, estas condiciones podrían ser por defecto, pero son bastante especiales si nos fijamos en el universo como un todo”, explica Konôpková. Así, lo que puede ser “prohibido” en condiciones ambientales de la Tierra, puede llegar a ser posible en las condiciones más extremas.
Aparte de su significado fundamental, el descubrimiento también puede producir nuevas aplicaciones prácticas, como hacer nuevos materiales con propiedades exóticas. Entre los compuestos que el equipo creó hay compuestos de dos dimensiones, donde se lleva la electricidad a lo largo de las capas de la estructura. “Uno de estos materiales, Na3Cl, tiene una estructura fascinante, se compone de capas de NaCl y capas de sodio puro. Las capas de NaCl actúan como aislantes y las capas de sodio puro conducen la electricidad. Los sistemas con conductividad eléctrica de dos dimensiones han suscitado mucho interés”, concluye.
Referencia: Science