Los elementos extremos empujan los límites de la tabla periódica

La rara sustancia radiactiva llegó de Estados Unidos a Rusia en un vuelo comercial en junio de 2009. Los funcionarios de aduanas se resistieron a aceptar el paquete, que estaba envuelto en un escudo de plomo y blasonado con advertencias en negrita y los ominosos símbolos en forma de trébol para la radiación ionizante. Atrás, cruzó el Atlántico.

Los científicos estadounidenses adjuntaron papeleo adicional y el paquete hizo un segundo viaje, sólo para ser rechazado de nuevo. Mientras tanto, la preciosa carga, 22 miligramos de un elemento llamado berkelio creado en un reactor nuclear en el Laboratorio Nacional Oak Ridge en Tennessee, se estaba deteriorando. Día tras día, sus átomos se descomponían. “Todos estábamos un poco frenéticos por nuestra parte”, dice la ingeniera nuclear de Oak Ridge Julie Ezold.

En el tercer intento, el envío pasó la aduana. En un laboratorio en Dubna, al norte de Moscú, los científicos golpearon el berkelio con iones de calcio para tratar de crear una sustancia aún más rara. Después de 150 días de bombardeo, los investigadores vieron seis átomos de un elemento que nunca se había visto en la Tierra. En 2015, después de que otros experimentos confirmaron el descubrimiento, el elemento 117, la tennessina, ganó un lugar en la tabla periódica (SN: 2/6/16, p. 7).

Los científicos esperan estirar aún más la tabla periódica, más allá de la tennessina y otros tres elementos recientemente descubiertos (113, 115 y 118) que completan la séptima fila de la tabla. La producción de los siguientes elementos requerirá el perfeccionamiento de nuevas técnicas utilizando haces de iones ultrapotentes, átomos cargados eléctricamente. Por no mencionar el estrés de enviar más material radiactivo a través de las fronteras.
Pero las preguntas que circulan alrededor de los límites de la tabla periódica son demasiado tentadoras para no hacer el esfuerzo. Han pasado 150 años desde que el químico ruso Dmitrii Mendeleev creó su tabla periódica. Sin embargo, “todavía no podemos responder a la pregunta: ¿Cuál es el elemento más pesado que puede existir? dice el químico nuclear Christoph Düllmann del GSI Helmholtz Center for Heavy Ion Research en Darmstadt, Alemania.

En el extremo opuesto de la tabla periódica, los elementos se descomponen en instantes de su formación, ofreciendo muy poco tiempo para estudiar sus propiedades. De hecho, los científicos todavía saben poco sobre la última tripulación de elementos recién encontrados. Así que mientras algunos científicos están buscando elementos nunca antes vistos, otros quieren aprender más sobre los recién llegados a la mesa y los comportamientos extraños que esos elementos superpesados pueden exhibir.

Para estos átomos tan grandes, la química puede volverse rara, como los núcleos atómicos, los corazones en el centro de cada átomo, que se llenan de cientos de protones y neutrones. Alrededor de ellos giran grandes bandadas de electrones, algunos de los cuales se mueven a una velocidad cercana a la de la luz. Tales condiciones extremas podrían tener grandes consecuencias, ya que alteran el orden orden de la tabla periódica, en la que los elementos de cada columna son parientes químicos cercanos que se comportan de manera similar.

Los científicos siguen impulsando estos elementos superpesados como parte de la búsqueda de lo que poéticamente se conoce como la isla de la estabilidad. Se espera que los átomos con cierto número de protones y neutrones vivan más tiempo que sus amigos fugaces, persistiendo quizás durante horas en lugar de fracciones de segundo. Una isla así daría a los científicos tiempo suficiente para estudiar esos elementos más de cerca y entender sus peculiaridades. Los primeros indicios de ese misterioso atolón han sido vistos, pero no está claro cómo conseguir una base firme en sus orillas.

Lo que impulsa todo este esfuerzo es una profunda curiosidad sobre cómo actúan los elementos en los límites de la tabla periódica. “Esto puede sonar cursi, pero en realidad se trata de un entendimiento científico puro”, dice la química nuclear Dawn Shaughnessy del Laboratorio Nacional Lawrence Livermore en California. “Tenemos estas cosas que están en los extremos de la materia y no entendemos cómo se comportan.”

Ensamblaje de átomos
Un elemento se define por el número de protones que contiene. Crea un átomo con más protones que nunca, y tendrás un nuevo elemento. Cada elemento viene en una variedad de tipos, conocidos como isótopos, distinguidos por el número de neutrones en el núcleo. Cambiar el número de neutrones en el núcleo de un átomo altera el delicado equilibrio de fuerzas que hace que un núcleo sea estable o que hace que decaiga rápidamente. Los diferentes isótopos de un elemento pueden tener vidas medias muy diferentes, el período de tiempo que tarda la mitad de los átomos de una muestra en descomponerse en elementos más pequeños.

La tabla periódica de Mendeleev, presentada a la Sociedad Química Rusa el 6 de marzo de 1869, contenía sólo 63 elementos (SN: 1/19/19, p. 14). Al principio, los científicos añadieron a la tabla periódica aislando los elementos de los materiales naturales, por ejemplo, examinando los minerales y separándolos en sus partes constituyentes. Pero eso podría llevar a los científicos sólo hasta cierto punto. Todos los elementos más allá del uranio (elemento 92) deben ser creados artificialmente; no existen en cantidades significativas en la naturaleza. Los científicos descubrieron elementos más allá del uranio bombardeando átomos con neutrones o pequeños núcleos atómicos o examinando los desechos de las pruebas de armas termonucleares.

Pero para hacer los elementos más pesados, los investigadores adoptaron un nuevo enfoque de fuerza bruta: lanzar rayos de átomos pesados contra un objetivo, un disco que contiene los átomos de otro elemento. Si los científicos tienen suerte, los átomos en el rayo y el objetivo se fusionan, creando un nuevo átomo con un núcleo más grande y voluminoso, tal vez uno que contiene más protones que cualquier otro conocido.

Los investigadores están usando esta estrategia para ir tras los elementos 119 y 120. Los científicos quieren crear estos átomos nunca antes vistos para probar hasta dónde llega la tabla periódica, para satisfacer la curiosidad sobre las fuerzas que mantienen unidos a los átomos y para comprender qué química extraña podría ocurrir con estos átomos extremos.

La alineación de la tabla periódica
La búsqueda se está preparando para los próximos elementos superpesados, 119 y 120 (recuadros rojos en la tabla de abajo). Mientras tanto, los científicos están estudiando los elementos superpesados conocidos (azul) para entender mejor cómo se comportan los átomos tan grandes.

La persuasión de núcleos para que se combinen en un nuevo elemento se realiza sólo en instalaciones altamente especializadas en unas pocas ubicaciones en todo el mundo, incluyendo laboratorios en Rusia y Japón. Los investigadores eligen cuidadosamente la composición de la viga y el objetivo con la esperanza de producir un átomo de diseño del elemento deseado. Así se crearon los cuatro elementos más nuevos: nihonium (element 113), moscovium (115), tennessine (117) y oganesson (118) (SN Online: 11/30/16).

Para crear tennessina, por ejemplo, los científicos combinaron haces de calcio con un blanco hecho de berkelio – una vez que el berkelio finalmente pasó la aduana en Rusia. La unión tiene sentido cuando se considera el número de protones en cada núcleo. El calcio tiene 20 protones y el berkelio 97, lo que da un total de 117 protones, el número que se encuentra en el núcleo de la tennessina. Combine el calcio con el siguiente elemento en la tabla, californium, y obtendrá el elemento 118, oganesson.

El uso de haces de calcio -específicamente un isótopo estable de calcio con un total combinado de 48 protones y neutrones conocido como calcio-48- ha tenido mucho éxito. Pero para crear núcleos más grandes se necesitarían materiales cada vez más exóticos. El californiano y el berkelio utilizados en esfuerzos anteriores son tan raros que los materiales objetivo tuvieron que fabricarse en Oak Ridge, donde los investigadores cocinan los materiales en un reactor nuclear durante meses y procesan cuidadosamente el producto altamente radioactivo que sale. Todo ese trabajo podría producir sólo miligramos del material.

Para descubrir el elemento 119 usando un haz de calcio-48, los investigadores necesitarían un blanco hecho de einsteinio (elemento 99) que es aún más raro que el californiano y el berkelio. “No podemos producir suficiente einsteinio”, dice el físico James Roberto de Oak Ridge. Los científicos necesitan un nuevo enfoque. Han cambiado a técnicas relativamente no probadas que se basan en diferentes haces de partículas.

Desfile de la decadencia
Para descubrir el oganesson-294 (con 294 protones y neutrones), los científicos lanzaron iones de calcio en un blanco de californium y observaron la cadena de desintegración radioactiva iniciada por el nuevo elemento.

Pero cualquier nuevo enfoque tendría que producir nuevos elementos con la suficiente frecuencia para que valga la pena. Un experimento japonés tardó casi nueve años en demostrar la existencia del nihonium. En ese tiempo, los investigadores descubrieron el elemento sólo tres veces.

Para evitar esas largas esperas, los científicos están eligiendo cuidadosamente sus tácticas y acelerando las máquinas mejoradas para acelerar la búsqueda.

Un equipo del Centro RIKEN Nishina para la Ciencia Basada en Aceleradores, cerca de Tokio, utiliza vigas de vanadio (elemento 23), en lugar de calcio, y las golpea contra el curio (elemento 96) en la búsqueda de la gloria elemental y encontrar el elemento 119. El grupo está comenzando con un acelerador existente y pronto cambiará a un acelerador mejorado para bombear los haces de iones que contienen más potencia. Ese acelerador renovado podría estar listo en un año, dice el químico nuclear de RIKEN Hiromitsu Haba.

Mientras tanto, un nuevo laboratorio en el Joint Institute for Nuclear Research, o JINR, en Dubna, llamado Superheavy Element Factory, cuenta con un acelerador que producirá haces de iones que golpearán al objetivo a una velocidad 10 veces superior a la de su predecesor. En un próximo experimento, los científicos planean estrellar haces de titanio (elemento 22) en objetivos de berkelio y californiano para intentar producir los elementos 119 y 120.

Una vez que el nuevo experimento del JINR esté en marcha, se podrían descubrir 119 después de un par de años, dice el físico nuclear del JINR, Yuri Oganessian, por quien se le dio nombre a oganesson, uno de los varios elementos descubiertos allí.

Reglas de relatividad
Sin embargo, el simple hecho de detectar un elemento no significa que los científicos sepan mucho sobre él. “¿Cómo se comportaría un kilogramo de flerovio si lo tuviera?” pregunta Düllmann, refiriéndose al elemento 114. “No se parece a ningún otro material.”

Los elementos superpesados conocidos – aquellos más allá del número 103 sobre la mesa – son demasiado efímeros para crear un trozo lo suficientemente grande como para sostenerlo en la palma de la mano. Así que los científicos se limitan a estudiar átomos individuales, conociendo cada nuevo elemento mediante el análisis de sus propiedades, incluyendo la facilidad con la que reacciona con otras sustancias.

Una gran pregunta es si la periodicidad por la que se nombra la tabla se aplica a los elementos superpesados. En la tabla, los elementos están ordenados según su número de protones, dispuestos de forma que los elementos de cada columna tengan propiedades similares. El litio, el sodio y otros en la primera columna reaccionan violentamente con el agua, por ejemplo. Los elementos de la última columna, conocidos como gases nobles, son famosamente inertes (SN: 1/19/19, p. 18). Pero para los elementos más nuevos y pesados en los alcances exteriores de la tabla periódica, esa regla de larga data de la química puede desentrañar; algunos elementos superpesados pueden comportarse de manera diferente a los vecinos que están sentados encima de ellos en la mesa.

Para los núcleos repletos de más de 100 protones, un tipo especial de física toma el centro del escenario. Los electrones se deslizan alrededor de estos núcleos gigantescos, superando a veces el 80 por ciento de la velocidad de la luz. Según la teoría especial de la relatividad de Einstein, cuando las partículas se mueven tan rápido, parecen ganar masa. Esa propiedad cambia la forma en que los electrones abrazan el núcleo y, como resultado, la facilidad con que los átomos comparten los electrones para producir reacciones químicas. En tales átomos, “las reglas de la relatividad y la sabiduría común estándar se rompen”, dice el físico nuclear Witold Nazarewicz de la Universidad del Estado de Michigan en East Lansing. “Tenemos que escribir nuevos libros de texto sobre esos átomos.”

Se está volviendo pesado
El núcleo de oganesson superpesado tiene 118 protones y muchos neutrones (azul y rojo). Sus 118 electrones (verde) rodean el núcleo. El carbono, que es mucho más ligero, contiene sólo seis protones y seis electrones (no a escala).

Algunos de los elementos más familiares de la tabla periódica ya están afectados por la relatividad restringida. La teoría explica por qué el oro tiene un tono amarillento y por qué el mercurio es líquido a temperatura ambiente (SN: 2/18/17, p. 11). “Sin la relatividad, un coche no arrancaría”, dice el químico teórico Pekka Pyykkkö de la Universidad de Helsinki. Las reacciones que alimentan la batería de un coche dependen de la relatividad especial.

La influencia de la relatividad puede aumentar a medida que los científicos progresan a lo largo de la tabla periódica. En 2018, en las Cartas de Revisión Física, Nazarewicz y sus colegas informaron que el oganesson podría ser totalmente extraño (SN Online: 2/12/18). El elemento más pesado de la mesa, el oganesson, se encuentra entre los gases nobles solitarios que evitan las reacciones con otros elementos. Pero oganesson se opone a la tendencia, sugieren cálculos teóricos, y puede ser reactivo.

La química de Oganesson es un tema candente, pero los científicos aún no han podido probar directamente sus propiedades con experimentos porque el oganesson es demasiado raro y fugaz. “Todos los teóricos están ahora corriendo alrededor de este elemento tratando de hacer predicciones espectaculares”, dice la química teórica Valeria Pershina de GSI. Del mismo modo, algunos cálculos sugieren que el flerovio puede inclinarse en la dirección opuesta, siendo relativamente inerte, aunque habite en la misma columna que elementos más reactivos como el plomo.

Los químicos se esfuerzan por probar tales cálculos sobre cómo se comportan los elementos superpesados. Pero no hay nada tradicional en estos experimentos químicos. No hay científicos en batas blancas con frascos y quemadores Bunsen. “Debido a que hacemos estas cosas un átomo a la vez, no podemos hacer lo que la mayoría de la gente piensa que es química,” dice Shaughnessy de Lawrence Livermore.

Los experimentos pueden durar meses con sólo unos pocos átomos para demostrarlo. Los científicos ponen esos átomos en contacto con otros elementos para ver si ambos reaccionan. En GSI, Düllmann y sus colegas están estudiando si el flerovium se adhiere a las superficies doradas. Del mismo modo, Shaughnessy y sus colegas están probando si el flerovio se adhiere a las moléculas en forma de anillo, elegidas para que el elemento pesado pueda encajar dentro del anillo de la molécula. Estos estudios probarán la facilidad con la que el flerovio se une a otros elementos, revelando si se comporta como se espera en base a su lugar en la tabla periódica.

No son sólo las reacciones químicas las que pueden volverse locas para los elementos superpesados. Los núcleos atómicos se pueden deformar en varias formas cuando están llenos de protones. Oganesson puede tener una “burbuja” en su núcleo, con menos protones en su centro que en sus bordes (SN: 11/26/16, p. 11). Los núcleos aún más extremos pueden tener forma de dona, dice Nazarewicz.

Incluso las propiedades más básicas de estos elementos, como su masa, deben ser medidas. Aunque los científicos habían estimado la masa de los diversos isótopos de los últimos nuevos elementos usando mediciones indirectas, los argumentos que apoyaban esas estimaciones de masa no eran herméticos, dice Jacklyn Gates del Laboratorio Nacional Lawrence Berkeley en California. “Se basan en la física, no en lanzarte una bola curva.”

Así que Gates y sus colegas midieron directamente las masas de isótopos de nihonio y moscovio usando un acelerador en Lawrence Berkeley. Un aparato llamado FIONA ayudó a los investigadores a medir las masas, gracias a los campos electromagnéticos que dirigían un ión de cada elemento hacia un detector. La ubicación donde cada ión golpeó indicaba cuán masiva era.

El isótopo de nihonio que los investigadores detectaron tenía un número de masa de 284, lo que significa que su núcleo tenía un total combinado de 284 protones y neutrones. El Moscovium tenía una masa de 288. Esas masas fueron como se predijo, reportaron los científicos en noviembre en Cartas de Revisión Física. Tomó alrededor de un mes encontrar un átomo de cada elemento.

Vistas a la isla
Si los investigadores pudieran convencer a estos elementos fugaces para que vivan más tiempo, estudiar sus propiedades podría ser más fácil. Los científicos han descubierto visiones tentadoras de aumentar la esperanza de vida que están fuera de su alcance, la legendaria isla de la estabilidad (SN: 6/5/10, p. 26). Los científicos esperan que los isótopos de esa isla, que estaría llena de muchos neutrones, puedan vivir lo suficiente para que su química pueda ser estudiada en detalle.

Cuando se propuso la idea de una isla de estabilidad en la década de 1960, los científicos habían sugerido que los isótopos de sus costas podrían vivir millones de años. Los avances en física teórica han derribado desde entonces ese marco de tiempo, dice Nazarewicz. En cambio, los físicos nucleares ahora esperan que los habitantes de la isla se queden por unos minutos, horas o incluso un día, una eternidad agradable para los elementos superpesados.

Para llegar a la isla de la estabilidad, los científicos deben crear nuevos isótopos de elementos conocidos. Los investigadores ya saben en qué dirección deben remar: Deben meter más neutrones en los núcleos de los elementos superpesados que ya han sido descubiertos. Actualmente, los científicos no pueden fabricar átomos con suficientes neutrones para llegar al centro de la isla, donde se espera que los isótopos sean más estables. Pero las señales de la existencia de esta isla ya están claras. La vida media de los elementos superpesados tiende a dispararse a medida que los científicos introducen más neutrones en cada núcleo, acercándose a la isla. La vida media de Flerovium aumenta en casi un factor de 700 a medida que se añaden cinco neutrones más, de tres milisegundos a dos segundos.

Larga vida
Cada fila de abajo es un elemento, y cada columna un isótopo diferente. Se espera que los átomos sean más estables en la isla de estabilidad (se muestra la ubicación prevista). A medida que los isótopos de los elementos (cuadrados grises) se acercan a la isla, tienden a vivir más tiempo, a medida que más neutrones llenan el núcleo. La vida media de Flerovium, por ejemplo, aumenta de 0,003 a dos segundos.

Llegar a esta isla “es nuestro gran sueño”, dice Haba. “Desafortunadamente, no tenemos un buen método para llegar a la isla.” Se cree que esa isla está centrada alrededor de isótopos que sobresalen con alrededor de 184 neutrones y algo así como 110 protones. La fabricación de estos núcleos ricos en neutrones exigiría nuevas y difíciles técnicas, como el uso de haces de partículas radioactivas en lugar de partículas estables. Aunque se pueden producir rayos radioactivos en RIKEN, dice Haba, los rayos no son lo suficientemente intensos como para producir nuevos elementos a un ritmo razonable.

Aún así, los detectives de los elementos superpesados se mantienen en ello para aprender cómo se comportan estos extraños átomos.

Fin de la línea
Para comprender plenamente los extremos de la naturaleza, los científicos quieren saber dónde termina la tabla periódica.

“Todo el mundo sabe que en algún momento habrá un final”, dice Düllmann. “Habrá un elemento más pesado, en última instancia.” La tabla estará terminada cuando hayamos descubierto todos los elementos con isótopos que viven al menos una centésima de trillonésima de segundo. Ese es el límite para lo que califica como elemento, de acuerdo a los estándares establecidos por la Unión Internacional de Química Pura y Aplicada. Los núcleos más efímeros no tendrían tiempo suficiente para reunir un grupo de electrones. Ya que el dar y recibir electrones es la base de las reacciones químicas, los núcleos solitarios no exhibirían química en absoluto, y por lo tanto no merecen un lugar en la mesa.

“Es difícil decir dónde terminará exactamente”, dice Nazarewicz. Los cálculos de la rapidez con la que un núcleo se descompondrá por fisión, o se dividirá en dos, son inciertos, lo que dificulta la estimación de cuánto tiempo pueden vivir los elementos sin crearlos realmente.

Y la mesa final puede contener agujeros u otras características extrañas. Esto podría suceder si, dentro de una fila de elementos, hay un punto en el que ningún isótopo persiste el tiempo suficiente para calificar como elemento.
Otra idiosincrasia: Los elementos no se pueden ordenar en orden secuencial por el número de protones que contienen, según los cálculos de un artículo de Pyykkö de 2011 en Physical Chemistry Chemical Physics. El elemento 139, por ejemplo, podría estar situado a la derecha del elemento 164, si es que existen tales elementos pesados. Esto se debe a que la relatividad restringida altera el orden normal en el que los electrones se insertan en las capas, disposiciones que definen la forma en que los electrones giran alrededor del átomo. Ese patrón de relleno de la cáscara es lo que le da forma a la tabla periódica, y el inusual relleno puede significar que los científicos decidan asignar elementos a manchas fuera de orden.

Pero las adiciones a la tabla podrían secarse antes de que eso ocurra si los científicos alcanzan el límite de su capacidad para crear elementos más pesados. Cuando los elementos viven fracciones minúsculas de segundo, incluso el viaje del átomo a un detector puede tomar demasiado tiempo; el elemento se descompondría antes de tener la oportunidad de ser visto.

En realidad, no hay una idea clara de cómo buscar elementos más allá de 119 y 120. Pero el panorama ha parecido sombrío antes.

“No debemos subestimar a la próxima generación. Pueden tener ideas inteligentes. Tendrán nuevas tecnologías”, dice Düllmann. “El siguiente elemento es siempre el más difícil. Pero probablemente no sea la última.”