Nueva forma de crear elementos superpesados podría agregar una nueva fila a la tabla periódica

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La síntesis de un nuevo elemento superpesado apunta a la tan buscada “isla de estabilidad“.

Una nueva forma de crear elementos superpesados pronto podría agregar una nueva fila a la tabla periódica, lo que permitiría a los científicos explorar reinos atómicos inexplorados.

Para los nuevos elementos pesados de la tabla periódica creados por el hombre, ser “demasiado ‘grandes’ para su propio bien” a menudo significa inestabilidad y una existencia fugaz.

Cuanto más protones y neutrones se juntan los científicos para construir un núcleo atómico “superpesado” (uno con un número total de protones superior a 103), más frágil tiende a ser el elemento resultante.

Hasta ahora todos los elementos superpesados que el hombre ha logrado se descomponen casi instantáneamente.

Sin embargo, investigadores que sintetizaron átomos tan pesados a través de un acelerador de partículas en el Laboratorio Nacional Lawrence Berkeley han dado un paso significativo hacia la elusiva “isla de estabilidad”, una región hipotética de la tabla periódica donde los nuevos elementos superpesados finalmente podrían resistir el tiempo suficiente, para contrarrestar la tendencia.

El equipo forjó con éxito el elemento 116, livermorium, utilizando un método novedoso que involucra titanio 50, un isótopo raro que constituye alrededor del 5 por ciento de todo el titanio en la Tierra.

Al calentar este titanio a 1650 grados centígrados y canalizarlo en un rayo de alta energía, los investigadores pudieron lanzar esta corriente de partículas hacia otros átomos para crear elementos superpesados.

Aunque el livermorium se creó antes utilizando otras técnicas, este enfoque innovador allana el camino para la síntesis de elementos nuevos, incluso más pesados, expandiendo potencialmente la tabla periódica.

“Este logro es verdaderamente innovador“, afirma Hiromitsu Haba, investigador del Centro RIKEN Nishina de Ciencias Basadas en Aceleradores en Japón, que no participó en el estudio.

Haba añade que esta hazaña es “necesaria para seguir descubriendo nuevos elementos”.

Berkeley Lab alberga el ciclotrón de 88 pulgadas, un dispositivo que genera un campo electromagnético para empujar a los núcleos atómicos a desprenderse de algunos de los electrones que los rodean y lanzarse a gran velocidad hacia otros átomos estacionarios.

Usando estas máquinas, la síntesis de elementos superpesados se reduce a simples matemáticas: para formar un elemento con 116 protones, es necesario fusionar dos núcleos atómicos con esa suma total de protones entre ellos. Sin embargo, como suele ocurrir en la física nuclear, el proceso no es tan sencillo.

Tradicionalmente, el calcio 48 ha sido el isótopo de referencia para reacciones de fusión superpesadas debido a su naturaleza “doblemente mágica“.

Los núcleos atómicos están rodeados por capas orbitales de electrones giratorios; los núcleos que poseen “números mágicos” de protones o neutrones que llenan completamente una capa son muy estables, y los que tienen números “doblemente mágicos” de ambos tipos de partículas lo son excepcionalmente.

Pero el bajo recuento de protones del calcio 48 limita su utilidad para crear elementos más pesados.

El elemento estable más pesado que se puede combinar con el calcio 48 (20 protones) es el curio (96 protones), lo que da como resultado el livermorio (116 protones).

Mientras que el calcio 48 y el berkelio, más pesado (97 protones), se han utilizado para sintetizar el elemento 117, el berkelio “es extremadamente difícil de producir“, dice Witold Nazarewicz, científico jefe de la Instalación de Haces de Isótopos Raros de la Universidad Estatal de Michigan, que no estaba involucrado en el nuevo estudio.

“Si queremos producir elementos más pesados, necesitamos un haz con más protones [que el calcio 48]”.

Para crear tal haz, el equipo de investigación recurrió al titanio 50, intentando fusionarlo con plutonio para producir livermorium.

“Hasta que realizamos este experimento, nadie sabía lo fácil o difícil que sería fabricar cosas con titanio“, enfatiza Jacklyn Gates, líder del Heavy Element Group en Berkeley Lab y autor principal del estudio.

A diferencia del calcio 48, doblemente mágico y altamente estable, el titanio 50 es claramente no mágico y carece de estabilidad extrema.

También tiene un punto de fusión casi el doble que el del calcio, lo que hace que sea más difícil trabajar con él.

Y la menor estabilidad de los átomos de titanio 50 disminuye la probabilidad de fusiones exitosas, incluso cuando ocurren colisiones.

“Es la diferencia entre ver un átomo sintetizado todos los días o cada 10 días o peor“, explica Gates.

A pesar de estos desafíos, el titanio 50 surgió como el siguiente mejor candidato porque ofrecía la esperanza de crear elementos superpesados más allá del alcance del calcio.

Una vez que se prepararon los isótopos y el ciclotrón estuvo en funcionamiento, el proceso se convirtió en un juego de espera.

Al disparar continuamente el rayo de titanio contra un objetivo de uranio, la probabilidad de lograr cualquier colisión entre dos núcleos era extremadamente pequeña.

“Si elevas un átomo al tamaño de un campo de fútbol, un núcleo es del tamaño de un guisante“, dice Gates.

“Estamos lanzando seis billones de partículas de titanio por segundo a nuestro objetivo sólo para tener una posibilidad estadística de acercarnos al núcleo”.

Este bombardeo de alta intensidad y la rareza de las colisiones exitosas significaron que sintetizar cantidades detectables del livermorium deseado tomó 22 días.

El uso exitoso del titanio 50 marca un considerable avance en el campo de la síntesis de elementos superpesados.

Además de demostrar la viabilidad fundamental de la técnica, este experimento también proporciona datos críticos sobre las “secciones transversales” asociadas con un haz de 50 partículas de titanio.

(Una sección transversal es una medida de la probabilidad de un resultado específico, como la fusión del livermorium, cuando dos partículas chocan, en función de la energía de la colisión).

Con esta base, el próximo objetivo ambicioso para la fusión del titanio 50 es la creación del elemento 120, que requerirá colisiones con el californio.

El elemento 120 sería el elemento más pesado creado hasta ahora y el primero en la octava fila de la tabla periódica.

Según algunos modelos, el elemento también debería tener una vida relativamente larga, lo que lo convertiría en una cabeza de playa en la tan buscada isla de estabilidad.

Aunque los modelos teóricos proporcionan poca certeza en cuanto a la energía exacta necesaria para su síntesis a base de titanio, estos resultados precursores ofrecen información valiosa.

“[Este estudio] obtuvo resultados experimentales transversales y ahora saben qué modelo [teórico] es el más confiable”, explica Nazarewicz.

Haba añade: “Estamos buscando núcleos en el régimen extremo, que todavía es difícil de predecir teóricamente… Sin embargo, no hay absolutamente ninguna razón por la que el elemento 120 no pueda sintetizarse mediante este método”.

Si bien aún faltan años para la creación de este nuevo elemento, el descubrimiento potencial promete nuevos conocimientos sobre las capas de electrones y la tabla periódica, lo que podría tener implicaciones de gran alcance para la física nuclear, la ciencia de los materiales y otros campos.

“Estarías accediendo a los orbitales g”, dice Gates, refiriéndose a una nueva configuración teórica de electrones que nunca se ha observado.

“Es como acceder a una parte completamente nueva de la química”.

Fuente: Scientific American