Develada la estructura electrónica de compuestos de uranio

En un experimento realizado en Brasil se dilucidó cómo se organizan las capas externas de un grupo de elementos radiactivos, y se avanza en la búsqueda de materiales superconductores a temperatura ambiente

Por José Tadeu Arantes  |  Agência FAPESP – Los actínidos constituyen un grupo de 15 elementos radiactivos que forman parte de la sétima línea de la tabla periódica. Esto quiere decir que sus átomos poseen electrones en los siete niveles de energía posibles. En orden creciente de número atómico empiezan con el actinio (89 protones y 89 electrones) y van hasta el laurencio (103 protones y 103 electrones). El uranio (92) y el torio (90) son los actínidos más abundantes en la corteza terrestre.

En líneas generales, todas las propiedades macroscópicas de los materiales –y por consiguiente, sus aplicaciones tecnológicas– dependen de la distribución de los electrones en las capas exteriores de los átomos. Esto es lo que define si el material es maleable o es rígido, si conduce bien o mal la corriente eléctrica o si responde fuertemente o débilmente al campo magnético.

Los orbitales más exteriores pueden también combinarse formando orbitales híbridos, con diferentes formas y distintos niveles de energía. De este modo, la hibridación de orbitales modifica las propiedades de los átomos, su modo de unirse a otros átomos e incluso las estructuras de las moléculas que se forman.

En el marco de estudio experimental y teórico realizado en el Laboratorio Nacional de Luz Sincrotrón (LNLS), en Brasil, y mediante el empleo de rayos X, se investigó la configuración de los orbitales más exteriores y de su hibridación en compuestos de uranio, lo cual suministró nuevos conocimientos referentes a los actínidos. La dificultad para manipular estos materiales en forma segura había llevado a que sus propiedades permanecieran relativamente desconocidas en comparación con las de los elementos más livianos. Este nuevo estudio altera esta situación.

Narcizo Marques de Souza Neto, mentor y coordinador de esta investigación, Ricardo dos Reis (primer autor) y otros colaboradores de Brasil y del exterior publicaron un artículo al respecto en la revista Nature Communications.

“Como son elementos pesados, con muchos electrones, los actínidos presentan una distribución peculiar de la energía en sus últimos orbitales, en los niveles 5f y 6d. Nuestro principal aporte consistió en establecer las técnicas experimentales para poder sondear esos niveles exteriores. Logramos observar selectivamente las propiedades de las capas 5f y 6d y la hibridación de éstas. Esto antes no era posible. Las propiedades macroscópicas de estos materiales en gran medida obedecen a la interacción entre los niveles 5f y 6d”, declaró Marques de Souza Neto a Agência FAPESP.

El grupo del LNLS utilizó la técnica de dicroísmo circular magnético de rayos X (en inglés X-ray magnetic circular dichroism, por eso la sigla XMCD), con rayos X de energía relativamente alta –de un nivel 17 keV–, para investigar los orbitales 5f, 6d y su hibridación en compuestos de uranio.

La expresión “dicroísmo circular magnético de rayos X” designa a las diferencias que exhiben dos espectros de absorción de rayos X en un campo magnético, uno con luz polarizada a la izquierda y otro con luz polarizada a la derecha. Al analizar estas diferencias se puede obtener abundante información acerca de las propiedades del átomo en pauta.

“Esta técnica experimental se empleaba en el estudio de otros materiales, pero no de los actínidos, a causa de diversas dificultades operativas”, dijo Marques de Souza Neto.

Este trabajo contó con el apoyo de la FAPESP a través de los programas Jóvenes Investigadores y Equipos Multiusuarios, y de becas Doctorales y de Iniciación a la Investigación Científica.

Superconductores a temperatura ambiente

El grupo del LNLS trabajó con dos compuestos silicatos: uranio-manganeso y uranio-cobre. La idea previamente existente, en el caso del uranio-manganeso, indicaba que todo el magnetismo del compuesto se debía al manganeso; y en el caso del uranio-cobre, al uranio.

Los científicos observaron que el uranio-manganeso presenta también, a temperatura ambiente, un cierto magnetismo en el uranio inducido por el manganeso. Y que a bajas temperaturas, aparte del magnetismo inducido, la red del uranio se ordena independientemente, y por eso exhibe un magnetismo más fuerte aún.

En el caso del uranio-cobre, el grupo descubrió que el cobre también exhibe un magnetismo inducido por el uranio. Estos fueron conocimientos nuevos que el estudio aportó.

“Además del comportamiento de conjunto del uranio, observamos también lo que sucede en sus capas y subcapas, en este caso, la 5f, la 6d y la híbrida, a bajas y a altas temperaturas. Y explicamos por qué esto sucede”, remarcó Marques de Souza Neto.

“La ayuda a Joven Investigador que me otorgó la FAPESP fue para desarrollar técnicas de rayos X en condiciones extremas. Esto comprendía tanto bajas temperaturas como altas presiones y señales magnéticas muy bajas. Este trabajo que realizamos y que resultó en el artículo publicado en Nature Communications fue uno de los despliegues del proyecto. Desarrollamos la técnica y logramos poner en práctica varias estrategias tendientes a medir señales bajas en forma eficiente. Así fue como conseguimos medir señales 50 veces más bajas que las que se medirían en otro borde de absorción, en el caso del uranio. Gracias a este estudio, ahora contamos con muy buenas condiciones como para realizar mediciones no sólo en actínidos sino también en otros diversos tipos de materiales”, dijo.

Existen compuestos de uranio que constituyen algunos de los pocos ejemplos de materiales superconductores no convencionales, que combinan dos propiedades antagónicas: el ferromagnetismo y la superconductividad. Hasta ahora, la superconductividad, es decir, la propiedad que exhiben ciertos materiales de conducir la corriente eléctrica sin resistencia ni pérdidas, sólo se ha logrado mediante el enfriamiento de esos materiales a temperaturas extremadamente bajas.

La comprensión a fondo de estos compuestos de uranio no convencionales puede constituir un paso fundamental para llegar a un material superconductor a temperatura ambiente. De obtenérselo, tal material tendrá un impacto tecnológico y social extraordinario.

“Aunque nuestra investigación se concretó en el ámbito estricto de la ciencia básica, despliegues tecnológicos tan interesantes como éste no se ubican fuera de su horizonte”, dijo Marque de Souza Neto.

El artículo intitulado Unraveling 5f-6d hybridization in uranium compounds via spin-resolved L-edge spectroscopy, de R. D. dos Reis, L. S. I. Veiga, C. A. Escanhoela Jr., J. C. Lang, Y. Joly, F. G. Gandra, D. Haskel y N. M. Souza-Neto, se encuentra publicado en el siguiente enlace: nature.com/articles/s41467-017-01524-1.