Una nueva teoría podrá algún día ayudar a los científicos a crear materiales nucleares más seguros y versátiles.

Photo Sharing and Video Hosting at Photobucket Investigadores de Rutgers, Universidad del Estado de New Jersey, Estados Unidos, destrabaron algunos de los secretos físicos y químicos del plutonio, un elemento conocido por su uso en armas atómicas y combustible de centrales eléctricas. Mientras las características nucleares complejas del plutonio son bien conocidas, tiene propiedades como metal o como compuesto químico que frecuentemente dejó a los científicos rascándose las cabezas.

En el número de esta semana de la revista Nature, los físicos de Rutgers informan que los electrones de valencia – aquellos que controlan cómo los átomos interactúan entre ellos – fluctúan entre diferentes orbitales en el metal sólido de plutonio en una escala de tiempo muy pequeña. En contraste, teorías más tempranas especificaban números de valencia fijos en esos orbitales. Los descubrimientos de Rutgers ayudan a explicar algunas características contradictorias del plutonio: Al contrario que muchos metales, el plutonio no es magnético y no es un buen conductor de la electricidad, y muestra grandes cambios de volumen frente a pequeños cambios de temperatura y presión.

Mientras los descubrimientos de los autores y los métodos de estudio son principalmente de interés para otros investigadores buscando explicaciones más claras de los materiales complejos, el conocimiento puede algún día ayudar a los científicos a crear materiales nucleares para energía, industria y medicina más seguros y versátiles.

“Teorías anteriores sobre el plutonio asignaban un número de electrones de valencia fijo en el orbital particular que nosotros examinamos, conocido como el orbital 5f,” dijo Kristjan Haule, un profesor asistente de física y astronomía de Rutgers. “Diferentes teorías asignaban diferentes números de electrones a ese orbital – algunos cuatro, otros cinco y hasta 6. Pero sin importar el número que predecían, permanecía constante. Cada teoría podía explicar algunas de las características del elemento, pero ninguna podía dar cuenta de toda la evidencia experimental.” La aproximación de Rutgers abandonó la idea de un número de electrones de valencia fijo o único en el orbital 5f. “Revisamos la noción de valencia en un sólido,” dijo Haule. “Mientras pasa escasamente en la naturaleza, creímos que fuera posible que el número de electrones de valencia fluctuara entre los orbitales de átomos que son parte de una estructura sólida.”

Resulta que el plutonio está especialmente pensado para exhibir este comportamiento. Los físicos determinaron que durante casi el 80 por ciento del tiempo, hay cinco electrones en el orbital 5f. Durante casi el 20 por ciento hay seis y durante menos del 1 por ciento hay cuatro.

Photo Sharing and Video Hosting at Photobucket “Una teoría que permite a los electrones de valencia fluctuar explica consistentemente propiedades que los científicos observaron en experimentos de laboratorio,” dijo Haule, citando resultados recientes de absorción de rayos X y espectroscopia de electrones por pérdida de energía. “Además, la teoría predice con precisión las propiedades de dos elementos vecinos, el americio y el curio, que tienen estructuras atómicas similares pero presentan propiedades magnéticas y eléctricas muy diferentes.

La nueva aproximación involucra la fusión de dos teorías existentes, conocidas como la aproximación de densidad local y la teoría de campos dinámicos, o LDA+DMFT. Tomadas por separado, se quedan cortas al dar cuentas de todas las características físicas observadas del plutonio.

El trabajo hecho por Haule y sus colegas se sitúa en una rama de la Física conocida como materia condensada, que se encarga con las propiedades físicas de la materia sólida y líquida. En particular, su trabajo se enfoca en materiales fuertemente correlados, que poseen electrones interactuando fuertemente y, por ende, no pueden ser descriptos usando teorías que tratan a los electrones como entidades mayormente independientes. Los metales radiactivos, como el plutonio, y sus vecinos en la tabla periódica, son ejemplos de materiales fuertemente correlados, con electrones altamente localizados en sus orbitales f. En estos elementos, la mayor parte de las propiedades físicas como la resistividad eléctrica y las características magnéticas dependen de los electrones del orbital f. Los descubrimientos informados en Nature, intensifican los métodos para predecir características de todos estos materiales complejos.

Fuente: Rutgers

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