Superando los límites de la química: Se miden las propiedades del elemento más pesado estudiado hasta ahora

Bajo la dirección de grupos de Darmstadt y Maguncia, se produjeron los dos isótopos de flerovio más longevos que se conocen en la actualidad, el flerovio 288 y el flerovio 289, utilizando las instalaciones del acelerador del GSI/FAIR y se investigaron químicamente en la instalación experimental TASCA. En la tabla periódica, el flerovio se sitúa por debajo del metal pesado plomo. Sin embargo, las primeras predicciones habían postulado que los efectos relativistas de la alta carga del núcleo del elemento superpesado sobre sus electrones de valencia conducirían a un comportamiento similar al de un gas noble, mientras que otras más recientes habían sugerido más bien un comportamiento débilmente metálico. Dos experimentos químicos realizados anteriormente, uno de ellos en el GSI de Darmstadt en 2009, condujeron a interpretaciones contradictorias. Mientras que los tres átomos observados en el primer experimento se utilizaron para inferir un comportamiento similar al de un gas noble, los datos obtenidos en el GSI indicaban un carácter metálico basado en dos átomos. Los dos experimentos no pudieron establecer claramente el carácter. Los nuevos resultados muestran que, como se esperaba, el flerovio es inerte pero capaz de formar enlaces químicos más fuertes que los gases nobles, si las condiciones son adecuadas. En consecuencia, el flerovio es el metal más volátil de la tabla periódica.

El flerovio es, pues, el elemento químico más pesado cuyo carácter se ha estudiado experimentalmente. Con la determinación de sus propiedades químicas, GSI/FAIR confirma su posición de liderazgo en la investigación de elementos superpesados. "La exploración de los límites de la tabla periódica ha sido un pilar del programa de investigación del GSI desde el principio y lo será en el FAIR en el futuro. El hecho de que unos pocos átomos puedan utilizarse ya para explorar las primeras propiedades químicas fundamentales, dando una indicación de cómo se comportarían cantidades mayores de estas sustancias, es fascinante y posible gracias a la potente instalación del acelerador y a la experiencia de la colaboración mundial", explica el profesor Paolo Giubellino, director científico de GSI y FAIR. "Con FAIR, estamos trayendo el universo al laboratorio y explorando los límites de la materia, también de los elementos químicos".

Seis semanas de experimentación

Los experimentos realizados en GSI/FAIR para aclarar la naturaleza química del flerovio duraron un total de seis semanas. Para ello, se aceleraron cuatro billones de iones de calcio-48 a un diez por ciento de la velocidad de la luz cada segundo mediante el acelerador lineal UNILAC del GSI y se dispararon contra un blanco que contenía plutonio-244, lo que dio lugar a la formación de unos cuantos átomos de flerovio al día.

Los átomos de flerovio formados retrocedieron desde el blanco hasta el separador lleno de gas TASCA. En su campo magnético, los isótopos formados, flerovio-288 y flerovio-289, que tienen tiempos de vida del orden de un segundo, se separaron del intenso haz de iones de calcio y de los subproductos de la reacción nuclear. Penetraron en una fina película, entrando así en el aparato de química, donde fueron detenidos en una mezcla de gas helio/argón. Esta mezcla de gases hizo que los átomos entraran en el aparato de cromatografía de gases COMPACT, donde entraron en contacto con las superficies de óxido de silicio. Si la unión con el óxido de silicio era demasiado débil, los átomos eran transportados más allá, sobre superficies de oro, primero las que se mantenían a temperatura ambiente, y luego sobre otras cada vez más frías, hasta unos -160 °C. Las superficies se depositaron como una fina capa sobre detectores especiales de radiación nuclear, que registraron los átomos individuales mediante la detección espacialmente resuelta de la desintegración radiactiva. Dado que los productos de la desintegración sufren una nueva desintegración radiactiva después de un corto periodo de vida, cada átomo deja una firma característica de varios eventos de la que se puede inferir inequívocamente la presencia de un átomo de flerovio.

Un átomo por semana para la química

"Gracias a la combinación del separador TASCA, la separación química y la detección de las desintegraciones radiactivas, así como al desarrollo técnico del aparato de cromatografía de gases desde el primer experimento, hemos conseguido aumentar la eficacia y reducir el tiempo necesario para la separación química hasta tal punto que hemos podido observar un átomo de flerovio cada semana", explica el Dr. Alexander Yakushev de GSI/FAIR, portavoz de la colaboración internacional del experimento.

En el análisis de los datos se encontraron seis cadenas de desintegración de este tipo. Dado que el montaje es similar al del primer experimento del GSI, los datos recién obtenidos pudieron combinarse con los de los dos átomos observados entonces y analizarse conjuntamente. Ninguna de las cadenas de desintegración apareció dentro del rango del detector recubierto de óxido de silicio, lo que indica que el flerovio no forma un enlace sustancial con el óxido de silicio. En cambio, todas fueron transportadas con el gas a la parte del aparato recubierta de oro en menos de una décima de segundo. Los ocho eventos formaron dos zonas: una primera en la región de la superficie del oro a temperatura ambiente, y una segunda en la parte posterior del cromatógrafo, a temperaturas tan bajas que una capa muy fina de hielo cubrió el oro, de modo que la adsorción se produjo en el hielo.

A partir de los experimentos con átomos de plomo, mercurio y radón, que sirvieron como representantes de los metales pesados, de los metales débilmente reactivos y de los gases nobles, se supo que el plomo forma un fuerte enlace con el óxido de silicio, mientras que el mercurio alcanza el detector de oro. El radón incluso sobrevuela la primera parte del detector de oro a temperatura ambiente y sólo es retenido parcialmente a las temperaturas más bajas. Los resultados del flerovio podrían compararse con este comportamiento.

Aparentemente, se observaron dos tipos de interacción de una especie de flerovio con la superficie de oro. La deposición sobre el oro a temperatura ambiente indica la formación de un enlace químico relativamente fuerte, que no se produce en los gases nobles. Por otra parte, algunos de los átomos parecen no haber tenido nunca la oportunidad de formar tales enlaces y han sido transportados a través de largas distancias de la superficie del oro, hasta las temperaturas más bajas. Este rango de detección representa una trampa para todas las especies elementales. Este complicado comportamiento puede explicarse por la morfología de la superficie del oro: consiste en pequeños grupos de oro, en cuyos límites se producen sitios muy reactivos, que aparentemente permiten la unión del flerovio. El hecho de que algunos de los átomos de flerovio pudieran llegar a la región fría indica que sólo los átomos que encontraron tales sitios formaron un enlace, a diferencia del mercurio, que quedó retenido en el oro en cualquier caso. Por lo tanto, la reactividad química del flerovio es más débil que la del metal volátil mercurio. Los datos actuales no pueden descartar por completo la posibilidad de que la primera zona de deposición sobre el oro a temperatura ambiente se deba a la formación de moléculas de flerovio. Sin embargo, de esta hipótesis también se deduce que el flerovio es químicamente más reactivo que un elemento de gas noble.

La colaboración internacional e interdisciplinaria como clave para la comprensión

El material objetivo de plutonio exótico para la producción del flerovio fue proporcionado en parte por el Laboratorio Nacional Lawrence Livermore (LLNL), de Estados Unidos. En el centro TRIGA del Departamento de Química de la Universidad Johannes Gutenberg de Maguncia (JGU), el material se depositó electrolíticamente sobre finas láminas de titanio fabricadas en GSI/FAIR. "No hay mucho de este material disponible en el mundo, y somos afortunados de haber podido utilizarlo para estos experimentos que no serían posibles de otro modo", dijo la Dra. Dawn Shaughnessy, jefa de la División de Ciencias Nucleares y Químicas del LLNL. "Esta colaboración internacional reúne habilidades y conocimientos de todo el mundo para resolver problemas científicos difíciles y responder a preguntas de larga data, como las propiedades químicas del flerovio."

"Nuestro experimento con el acelerador se complementó con un estudio detallado de la superficie del detector en colaboración con varios departamentos del GSI, así como con el Departamento de Química y el Instituto de Física de la JGU. Esto ha resultado ser clave para comprender el carácter químico del flerovio. Como resultado, los datos de los dos experimentos anteriores son ahora comprensibles y compatibles con nuestras nuevas conclusiones", afirma Christoph Düllmann, profesor de química nuclear de la JGU y jefe de los grupos de investigación del GSI y del Instituto Helmholtz de Maguncia (HIM), una colaboración entre el GSI y la JGU.

El modo en que los efectos relativistas afectan a sus vecinos, los elementos nihonio (elemento 113) y moscovio (elemento 115), que también han sido reconocidos oficialmente sólo en los últimos años, es objeto de experimentos posteriores. Ya se han obtenido los primeros datos en el marco del programa FAIR Fase 0 del GSI. Además, los investigadores esperan que existan más isótopos estables del flerovio, pero aún no se han encontrado. Sin embargo, los investigadores ya saben que pueden esperar encontrar un elemento metálico.

Además del GSI/FAIR y la JGU, el HIM, la Universidad de Liverpool (Reino Unido), la Universidad de Lund (Suecia), la Universidad de Jyväskyla (Finlandia), la Universidad de Oslo (Noruega), el Instituto de Tecnología Electrónica (Polonia), el Laboratorio Nacional Lawrence Livermore (EE.UU.) el Instituto Saha de Física Nuclear y el Instituto Indio de Tecnología de Roorkee (India), la Agencia Conjunta de Energía Atómica y el Centro de Investigación RIKEN (Japón), así como la Universidad Nacional de Australia (Australia), participaron en el experimento.