Cuál es la relación entre la teoría de la relatividad de Einstein y el color característico del oro

Como metal elemental, el oro ha sido valorado durante mucho tiempo por su relativa escasez, así como por su incomparable maleabilidad e inercia química, lo que significa que se puede transformar fácilmente en joyas y monedas que no reaccionan con los químicos del medio ambiente y no se empañan con el tiempo. Ahora, un equipo de investigadores de Stanford encontró una manera de crear y estabilizar una forma extremadamente rara de oro, que ha perdido dos electrones cargados negativamente, denominados Au 2+.

El material que estabiliza esta esquiva versión del valioso elemento es una perovskita de haluro, un mineral del grupo de los óxidos. Esta clase de materiales cristalinos resultan muy prometedores para diversas aplicaciones, incluidas células solares, fuentes de luz y componentes electrónicos más eficientes, indica el trabajo publicado en Nature Chemistry.

Sorprendentemente, la perovskita Au 2+ también es rápida y sencilla de preparar utilizando ingredientes disponibles en el mercado a temperatura ambiente. Fue una verdadera sorpresa que pudiéramos sintetizar un material estable que contenía Au 2+; al principio ni siquiera lo creía. Crear esta perovskita Au 2+, la primera de su tipo, es emocionante.

Los átomos de oro en ella tienen grandes similitudes con los de cobre en los superconductores de alta temperatura, y los átomos pesados con electrones desapareados, como Au 2+, se muestran interesantes, con efectos magnéticos que no se ven en átomos más ligeros.

Kurt Lindquist, autor principal del estudio que realizó la investigación como estudiante de doctorado en Stanford y ahora trabaja como académico en química inorgánica en la Universidad de Princeton, explicó que “las perovskitas de haluro poseen propiedades realmente atractivas para muchas aplicaciones cotidianas, por lo que hemos estado buscando expandir esta familia de materiales. Una perovskita Au 2+ sin precedentes podría abrir nuevas e interesantes vías”.

Una razón clave adicional de su valor es el color homónimo del oro. Ningún otro metal en su estado puro tiene un tono tan rico y distintivo. La física fundamental detrás de la aclamada apariencia también explica por qué Au 2+ es tan raro.

La razón fundamental son los efectos relativistas, originalmente postulados en la famosa teoría de Albert Einstein. Él nos enseñó que cuando los objetos se mueven muy rápido y su velocidad se acerca a una fracción significativa de la velocidad de la luz, se vuelven más pesados.

Este fenómeno se aplica también a las partículas y tiene profundas consecuencias para los elementos pesados masivos, como el oro, cuyos núcleos atómicos cuentan con un gran número de protones. Estas partículas ejercen colectivamente una inmensa carga positiva, lo que obliga a los electrones cargados negativamente a girar alrededor del núcleo a velocidades vertiginosas.

Como consecuencia, los electrones se vuelven pesados y rodean estrechamente el núcleo, atenuando su carga y permitiendo que los electrones externos se desvíen más lejos que en los metales típicos. Esta reordenación de los electrones y sus niveles de energía hace que el oro absorba la luz azul y, por lo tanto, parezca amarillo a nuestros ojos.

Debido a la disposición de los electrones del oro, gracias a la relatividad, el átomo se presenta naturalmente como Au 1+ y Au 3+, perdiendo uno o tres electrones, respectivamente, y despreciando Au 2+ . El 2+ indica una carga neta positiva debido a la pérdida de dos electrones cargados negativamente, y el símbolo químico “Au” para el oro proviene de “aurum”, la palabra latina para denominar el metal.

Con la configuración molecular adecuada, el Au 2+ puede perdurar, siendo que Lindquist dijo que tropezó con la nueva perovskita que alberga Au 2+ mientras trabajaba en un proyecto más amplio centrado en semiconductores magnéticos para su uso en dispositivos electrónicos.

Lindquist mezcló una sal llamada cloruro de cesio y cloruro de Au 3+ en agua y añadió ácido clorhídrico a la solución “con un poco de vitamina C”, dijo. En la reacción resultante, ésta, como ácido, dona un electrón (cargado negativamente) al Au 3+ común formando Au 2+.

Curiosamente, el Au 2+ es estable en la perovskita sólida pero no en solución. “En el laboratorio, podemos fabricar este material utilizando ingredientes muy simples en unos cinco minutos a temperatura ambiente -contó Lindquist-. Terminamos con un polvo de color verde muy oscuro, casi negro, y sorprendentemente pesado debido al oro que contiene”.

Al reconocer que podrían haber topado con nuevos desechos químicos, se realizaron numerosas pruebas en la perovskita, incluidas espectroscopia y difracción de rayos X, para investigar cómo absorbe la luz y caracterizar su estructura cristalina. Los grupos de investigación de Stanford en física y química dirigidos por Young Lee, profesor de física aplicada y ciencia fotónica, y Edward Solomon, profesor de química Monroe E. Spaght y profesor de ciencia fotónica, contribuyeron aún más al estudio del comportamiento del Au 2+.

Los experimentos finalmente confirmaron la presencia de Au 2+ en una perovskita y, en el proceso, agregaron un capítulo a una historia centenaria de química y física que involucra a Linus Pauling, quien recibió el Premio Nobel de Química en 1954 y el Premio Nobel de la Paz en 1962.

Al principio de su carrera, trabajó en perovskitas de oro que contenían las formas comunes Au 1+ y Au 3+. Casualmente, Pauling también estudió más tarde la estructura de la vitamina C, uno de los ingredientes necesarios para producir una perovskita estable que contenga el elusivo Au 2+ .

Nos encanta la conexión de Linus Pauling con nuestro trabajo. La síntesis de esta perovskita constituye una buena historia. Es por eso que, en el futuro, buscarán estudiar más a fondo el nuevo material y modificar su química. La esperanza es que pueda usarse en aplicaciones que requieren magnetismo y conductividad a medida que los electrones saltan de Au 2+ a Au 3+ en la perovskita.

*Hemamala Karunadasa es profesora asociada de química en la Escuela de Humanidades y Ciencias de Stanford y autora principal del estudio