Propiedades metálicas predichas para astatine

Es uno de los elementos químicos más misteriosos. Todo el mundo sabe que el astatino, el elemento 85, se encuentra en la parte inferior del grupo halógeno, pero nadie sabe cómo se ve. El astatino es el elemento natural más raro, y no tiene isótopos estables: el de vida más larga tiene una vida media de solo 8,1 horas. Así que nadie ha obtenido lo suficiente para ser visible a simple vista.

Si eso sucede, los nuevos cálculos de primeros principios publicados en Physical Review Letters predicen que será un sólido metálico. Eso quizás no sea tan sorprendente dado que el yodo, el halógeno sobre él en la tabla periódica, es en sí mismo un sólido plateado oscuro (aunque no realmente metálico en sí mismo) y que el punto de fusión del astatino es de 302oC. Pero la verdadera sorpresa de los nuevos resultados, es que el sólido no estaría compuesto de moléculas diatómicas, como todos los otros halógenos, pero sería monoatómicos. Los cálculos fueron realizados por Andreas Hermann, ahora en la Universidad de Edimburgo en Escocia, y los teóricos veteranos Roald Hoffmann y Neil Ashcroft de la Universidad de Cornell en Ithaca, Nueva York.

El físico teórico Yanming Ma de la Universidad Jilin en Changchun, China, que ha trabajado en fases sólidas de alta presión de los otros halógenos, lo llama «un artículo maravilloso».»Los autores presentan pruebas convincentes de este sorprendente comportamiento del astatino sólido», dice, y agrega que la sorpresa es doble: «su forma no molecular y su metalicidad a presión ambiental.’

Este comportamiento sería fácil de pasar por alto, porque solo se manifiesta cuando los cálculos tienen plenamente en cuenta los efectos de la relatividad especial en la estructura electrónica de los átomos muy pesados: el aumento de la masa efectiva de electrones en movimiento rápido cerca del núcleo masivo. Se sabe que tales efectos tienen consecuencias significativas para los elementos pesados, dando al oro su tinte amarillo y al mercurio su bajo punto de fusión.

Importancia del acoplamiento de órbita de espín

En los cálculos de densidad funcional de la estructura electrónica de moléculas y materiales, los efectos relativistas se dividen comúnmente en dos componentes. La llamada aproximación escalar considera solo los efectos de la velocidad muy alta de los electrones, mientras que su energía también se ve afectada por el acoplamiento espín-órbita entre el espín de los electrones y el campo magnético creado por los movimientos de los electrones alrededor del núcleo. Hermann y sus colegas encontraron que un cálculo relativista escalar predijo un estado fundamental diatómico para el astatino, mientras que la forma monatómica apareció solo con el acoplamiento espín-órbita incluido. «Estos efectos influyen en la propensión de los átomos a formar ciertos enlaces y estructuras cristalinas, generalmente reduciendo las energías de enlace molecular», dice Hermann. Cálculos anteriores han indicado que en la fase gaseosa el astatino todavía formaría una molécula diatómica débilmente unida.

El estado sólido completamente relativista no tiene separación de banda entre la valencia y los electrones de conducción: es un metal incluso a presión ambiental. De hecho, por analogía con el yodo de alta presión, los investigadores dicen que el astato podría incluso ser un superconductor.

El elemento 117, por debajo de astatina, se sintetizó en 2010, y se espera que experimente efectos relativistas aún más fuertes. «Mi conjetura es que sería un metal monoatómico débilmente encuadernado», dice Hermann. Pero estoy listo para ser sorprendido.’

Queda por ver si las predicciones se probarán experimentalmente. El astatino generalmente tiene que ser sintetizado artificialmente por reacciones nucleares – fue hecho por primera vez de esta manera en 1940 por científicos de la Universidad de California en Berkeley. Es tan radiactivo que un trozo de astatina sólida se vaporizaría casi instantáneamente. Pero Hermann sigue siendo optimista. «Con el enfriamiento activo del sustrato, uno podría ser capaz de estabilizar una película delgada durante un tiempo suficientemente largo», dice.

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