Una explicación cuántica al brillo del oro
Una explicación cuántica al brillo del oro Sprott Moneyn (Flickr, CC)

FÍSICA

Una explicación cuántica al brillo del oro

El oro es amarillo, brillante y maleable, pero ¿qué procesos físicos explican su apariencia? Un equipo ha conseguido realizar los cálculos más precisos conocidos hasta la fecha y ha conseguido explicar qué equilibrio electrónico provoca esta fascinante apariencia.

Desde comienzos del año el oro está subiendo de precio forma sostenida. Eso es indicio de que la incertidumbre aumenta y los inversores buscan refugio en el metal amarillo. Increíblemente es su mera posesión lo que da tranquilidad financiera, aunque el oro no produzca intereses, ni dé nada que se pueda comer, su uso industrial sea limitado, y solo aparezca espectacularmente en naves y sondas espaciales como recubrimiento capaz de reflejar la radiación infrarroja. El oro fundamentalmente encarna la importancia que los humanos damos a los simbólico.

El oro fundamentalmente encarna la importancia que los humanos damos a los simbólico

Y es que el oro es un metal raro. De entrada se puede encontrar en estado puro en la naturaleza, ya que hoy sabemos que no se combina con el oxígeno, por lo que es más difícil que entre a formar parte de compuestos como los que forman las rocas. No solo eso, encima es amarillo, brilla y mantiene ese brillo con el tiempo, coloración que no ocurre con ningún otro metal; el cobre es rojo, pero se oxida fácilmente. Por si esto fuese poco, el oro es maleable, por lo que se pueden hacer adornos complejos y fundirlo para hacer monedas. No es de extrañar la fascinación de los humanos con el metal noble desde tiempos inmemoriales. 

Pero las maravillas del oro solo aumentan cuando intentamos comprender sus características.

De entrada, su color amarillo está íntimamente relacionado con la teoría de la relatividad de Einstein; son los llamados efectos relativistas debidos a las altísimas energías de los electrones en estos átomos. Estos mismos efectos son los que complican los cálculos teóricos de las propiedades electrónicas del oro. De hecho, los teóricos que se han dedicado durante décadas a intentar describir las características del metal desde primeros principios han encontrado muy difícil explicar la discrepancia entre sus predicciones y las observaciones experimentales. Ahora, un equipo de investigadores ha conseguido resolverlas con un nivel de precisión desconocido incorporando la existencia de interacciones “quíntuples” entre 5 electrones.

Calcular las propiedades electrónicas de un átomo nunca es fácil, especialmente para los átomos pesados en los que el elevado potencial de Coulomb implica que existen niveles de energías de los electrones para los que la teoría de la relatividad es de aplicación. En el caso del oro, los efectos relativistas son la causa de que exista un salto de energía más pequeño entre los orbitales (regiones en las que puede encontrarse un electrón en un átomo) 6s y 5d, lo que explica que el oro absorba las frecuencias más azules del espectro, y el resultado sea que refleje los tonos amarillo-rojizos.

Los saltos orbitales explican que el oro absorba las frecuencias más azules yrefleje tonos amarillos

Pero no todo es tan fácil de explicar. Los cálculos de la energía de ionización (la energía necesaria para arrancar un electrón del átomo) y la afinidad electrónica (la energía necesaria para incorporar un electrón) han resultado siempre en valores inferiores a los experimentales en decenas de mili-electrón-voltios, una discrepancia significativa, aunque no escandalosa.

El equipo que encabeza Lukas Pašteka, de la Universidad Massey (Nueva Zelanda), ha conseguido realizar los cálculos más precisos conocidos hasta la fecha para el oro. Su modelo incorpora los efectos relativistas, las correlaciones entre electrones y la electrodinámica cuántica. Las correlaciones entre electrones incluyen todas las interacciones electrón-electrón que tienen lugar en un átomo que tiene 79 electrones.

Una de las principales novedades de este estudio está precisamente en que, a la hora de estudiar estas correlaciones se asumía que un electrón interaccionaba con otros 2, interacciones triples. Pašteka y sus colaboradores lo han ampliado a cuádruples y quíntuples. Al hacerlo así han reducido la discrepancia en las energías de ionización y la afinidad electrónica a tan solo unos pocos de milielectronvoltios, mejorando los resultados anteriores en 10 veces.

Esta metodología, que puede aplicarse a otros átomos pesados, es un indicio de hasta qué punto una creciente capacidad de cálculo nos puede permitir comprender mucho mejor el funcionamiento de la materia y poder predecir características en materiales que ahora son inimaginables.

Referencia: L. F. Pašteka, E. Eliav, A. Borschevsky, U. Kaldor, and P. Schwerdtfeger (2017) Relativistic Coupled Cluster Calculations with Variational Quantum Electrodynamics Resolve the Discrepancy between Experiment and Theory Concerning the Electron Affinity and Ionization Potential of Gold. Phys. Rev. Lett. doi: 10.1103/PhysRevLett.118.023002 

* Este artículo es parte de ‘Proxima’, una colaboración semanal de la Cátedra de Cultura Científica de la UPV con Next. Para saber más, no dejes de visitar el Cuaderno de Cultura Científica.



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