Toda buena investigación abre nuevos caminos, pero rara vez lo hace desenterrando verdades que cuestionan los fundamentos de una ciencia.
Eso es lo que ha hecho el profesor de la cristalografía teórica del Departamento de Geociencias, Artem R. Oganov, en su trabajo publicado el 20 de diciembre 2013 en la revista Science.
El documento titulado "inesperadas estequiometrías estables de cloruros de sodio", documenta sus predicciones y experimentos con la compresión del cloruro de sodio -sal de roca- para formar nuevos compuestos.
Estos compuestos validan su metodología para la predicción de propiedades de los objetos (una metodología que ahora se utiliza en todo el mundo para descubrir material informático) y mantienen la promesa de novedosos materiales y aplicaciones.
"Creo que este trabajo es el comienzo de una revolución en la química", dice Oganov. "Hemos descubierto a bajas presiones alcanzables en el laboratorio, compuestos perfectamente estables que contradicen las reglas clásicas de la química. Si se aplica una modesta presión de 200.000 atmósferas (a efectos comparativos, la presión en el centro de la Tierra es de 3,6 millones de atmósferas), todo lo que sabemos de los libros de texto de química se desmorona."
La química estándar de los libros de texto dicen que el sodio y el cloro tienen muy diferentes electronegatividades, y por tanto deben formar un compuesto iónico con una composición bien definida. La carga de sodio es +1, la carga de cloro es -1; el sodio regalará un electrón y el cloro tomará un electrón. Según los textos de química y del sentido común, la única combinación posible de estos átomos en un compuesto es 1:1, o sea, sal de roca, o NaCl.
"Ahora bien, encontramos compuestos locos que violan las reglas estándar, NaCl3, NaCl7, Na3Cl2, Na2Cl y Na3Cl", aduce Weiwei Zhang, autor principal y profesor visitante en el laboratorio de Oganov y en el Centro Stony Brook de Materiales de Diseño, dirigido por Oganov.
"Creo que este trabajo es el comienzo de una revolución en la química", dice Oganov. "Hemos descubierto a bajas presiones alcanzables en el laboratorio, compuestos perfectamente estables que contradicen las reglas clásicas de la química. Si se aplica una modesta presión de 200.000 atmósferas (a efectos comparativos, la presión en el centro de la Tierra es de 3,6 millones de atmósferas), todo lo que sabemos de los libros de texto de química se desmorona."
La química estándar de los libros de texto dicen que el sodio y el cloro tienen muy diferentes electronegatividades, y por tanto deben formar un compuesto iónico con una composición bien definida. La carga de sodio es +1, la carga de cloro es -1; el sodio regalará un electrón y el cloro tomará un electrón. Según los textos de química y del sentido común, la única combinación posible de estos átomos en un compuesto es 1:1, o sea, sal de roca, o NaCl.
"Ahora bien, encontramos compuestos locos que violan las reglas estándar, NaCl3, NaCl7, Na3Cl2, Na2Cl y Na3Cl", aduce Weiwei Zhang, autor principal y profesor visitante en el laboratorio de Oganov y en el Centro Stony Brook de Materiales de Diseño, dirigido por Oganov.
"Estos compuestos son termo-dinámicamente estables y, una vez hechos, permanecen indefinidamente, y nada les hará desmoronarse. La química clásica prohíbe su misma existencia. Esta misma química también dice que los átomos tratan de cumplir con la regla del octeto, los elementos ganan o pierden electrones a fin de conseguir la configuración electrónica del gas noble más cercano, con su capa externa de electrones completa que los hace muy estables. Bueno, pues aquí esa regla no se cumple."
Esto abre todo tipo de posibilidades. Oganov postula que, si se mezcla NaCl con sodio metálico, se comprime en una celda yunque de diamante, y con calor se obtendrá compuestos ricos en sodio como Na3Cl. De igual modo teoriza que, si tomamos NaCl, lo mezclamos con cloro puro, y lo comprimimos y damos calor, obtendremos compuestos de cloro tan ricos como NaCl3. Esto es exactamente lo que vio en los experimentos, que fueron realizados por el equipo de Alexander F. Goncharov, de la Carnegie Institution de Washington, confirmando las predicciones de Oganov. "Cambiar los fundamentos teóricos de la química, es ya una gran cosa", dice Goncharov. "Pero también significa que podemos fabricar nuevos materiales con propiedades exóticas."
Entre los compuestos que Oganov y su equipo han creado, son metales de dos dimensiones, donde la electricidad es conducida a lo largo de las capas de su estructura. "Uno de estos materiales, el Na3Cl, tiene una estructura fascinante", dice, "está compuesto por capas de NaCl y capas de sodio puro.
Esto abre todo tipo de posibilidades. Oganov postula que, si se mezcla NaCl con sodio metálico, se comprime en una celda yunque de diamante, y con calor se obtendrá compuestos ricos en sodio como Na3Cl. De igual modo teoriza que, si tomamos NaCl, lo mezclamos con cloro puro, y lo comprimimos y damos calor, obtendremos compuestos de cloro tan ricos como NaCl3. Esto es exactamente lo que vio en los experimentos, que fueron realizados por el equipo de Alexander F. Goncharov, de la Carnegie Institution de Washington, confirmando las predicciones de Oganov. "Cambiar los fundamentos teóricos de la química, es ya una gran cosa", dice Goncharov. "Pero también significa que podemos fabricar nuevos materiales con propiedades exóticas."
Entre los compuestos que Oganov y su equipo han creado, son metales de dos dimensiones, donde la electricidad es conducida a lo largo de las capas de su estructura. "Uno de estos materiales, el Na3Cl, tiene una estructura fascinante", dice, "está compuesto por 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 bidimensionales atraen mucho interés."
Como tantas veces pasa en la ciencia, la búsqueda de Oganov comenzó con la curiosidad, y la obstinación.
"Durante mucho tiempo, esta idea me obsesionaba, cuando un libro de química dice que un determinado compuesto es imposible, ¿qué significa realmente imposible? Porque yo puedo, en la computadora, colocar los átomos en ciertas posiciones y determinadas proporciones, y puedo calcular la energía. 'Impossible' realmente significa que la energía va a ser muy alta. Así que, ¿cuán alta va a ser? y ¿hay alguna manera de traer esa energía aquí abajo y hacer que estos compuestos sean estables?"
Para Oganov, imposible no quiere decir algo absoluto. "Las reglas de la química no son como los teoremas matemáticos, que no se pueden romper", dice .
Como tantas veces pasa en la ciencia, la búsqueda de Oganov comenzó con la curiosidad, y la obstinación.
"Durante mucho tiempo, esta idea me obsesionaba, cuando un libro de química dice que un determinado compuesto es imposible, ¿qué significa realmente imposible? Porque yo puedo, en la computadora, colocar los átomos en ciertas posiciones y determinadas proporciones, y puedo calcular la energía. 'Impossible' realmente significa que la energía va a ser muy alta. Así que, ¿cuán alta va a ser? y ¿hay alguna manera de traer esa energía aquí abajo y hacer que estos compuestos sean estables?"
Para Oganov, imposible no quiere decir algo absoluto. "Las reglas de la química no son como los teoremas matemáticos, que no se pueden romper", dice .
"Las reglas de la química se pueden romper, porque imposible sólo significa ‘casi’ imposible. Sólo hay que encontrar las condiciones en las que estas reglas ya no se dan."
El equipo de Oganov está aprovechando su propia inercia para llevar la investigación a buen término. "Tenemos un equipo fantástico", comenta, "el trabajo teórico fue hecho aquí, en Stony Brook, el trabajo experimental se llevó a cabo en el Laboratorio Geofísico de la Institución Carnegie de Washington."
Además, el equipo de Oganov utilizó la NSF-funded Extreme Science and Engineering Discovery Environment (XSEDE) para ejecutar el código USPEX (el código líder mundial para predecir una estructura de cristal) en Stampede, una supercomputadora en el Texas Advanced Computing Center de la Universidad de texas en Austin. USPEX fue desarrollado en el laboratorio de Oganov y él estima que lo utilizan más de 1.500 investigadores en todo el mundo .
Su descubrimiento puede tener aplicaciones en las ciencias planetarias, donde abundan los fenómenos de alta presión.
El equipo de Oganov está aprovechando su propia inercia para llevar la investigación a buen término. "Tenemos un equipo fantástico", comenta, "el trabajo teórico fue hecho aquí, en Stony Brook, el trabajo experimental se llevó a cabo en el Laboratorio Geofísico de la Institución Carnegie de Washington."
Además, el equipo de Oganov utilizó la NSF-funded Extreme Science and Engineering Discovery Environment (XSEDE) para ejecutar el código USPEX (el código líder mundial para predecir una estructura de cristal) en Stampede, una supercomputadora en el Texas Advanced Computing Center de la Universidad de texas en Austin. USPEX fue desarrollado en el laboratorio de Oganov y él estima que lo utilizan más de 1.500 investigadores en todo el mundo .
Su descubrimiento puede tener aplicaciones en las ciencias planetarias, donde abundan los fenómenos de alta presión.
Esto puede explicar los resultados de otros experimentos, donde los investigadores comprimieron materiales y consiguieron resultados desconcertantes.
Sus metodología computacional y algoritmos de predicción de estructuras, ayudarán a los investigadores a predecir combinaciones de material y las estructuras que exhiben propiedades deseadas, así como los niveles de estabilidad del material.
"Hemos aprendido una lección importante, que incluso en los sistemas bien definidos, como el cloruro de sodio, se puede hallar una química y materiales muy interesantes", señala Oganov.
"Hemos aprendido una lección importante, que incluso en los sistemas bien definidos, como el cloruro de sodio, se puede hallar una química y materiales muy interesantes", señala Oganov.
“Es como descubrir un nuevo continente, y ahora tenemos que mapear esa tierra. Las reglas actuales no pueden hacer frente a esta nueva química. Tenemos que inventar algo que pueda hacerlo."
- Fuente: Stony Brook University.
- Imagen: Estructrua cúbica de NaCl3. Crédito: Artem R. Oganov.
- Publicación: W. Zhang, A. R. Oganov, A. F. Goncharov, Q. Zhu, S. E. Boulfelfel, A. O. Lyakhov, E. Stavrou, M. Somayazulu, V. B. Prakapenka, Z. Konopkova. Unexpected Stable Stoichiometries of Sodium Chlorides. Science, 2013; 342 (6165): 1502 DOI: 10.1126/science.1244989.
- Imagen: Estructrua cúbica de NaCl3. Crédito: Artem R. Oganov.
- Publicación: W. Zhang, A. R. Oganov, A. F. Goncharov, Q. Zhu, S. E. Boulfelfel, A. O. Lyakhov, E. Stavrou, M. Somayazulu, V. B. Prakapenka, Z. Konopkova. Unexpected Stable Stoichiometries of Sodium Chlorides. Science, 2013; 342 (6165): 1502 DOI: 10.1126/science.1244989.
