As aulas de química ensinam que uma ligação tripla tem uma ligação sigma forte e duas ligações pi mais fracas. No entanto, nos elementos mais pesados da tabela periódica, os eletrões movem-se tão rapidamente que quebram estas regras. Pela primeira vez, uma equipa das universidades Brown e Washington State capturou provas experimentais de que as forças relativistas alteram a natureza das ligações químicas. A descoberta, publicada na revista Science, confirma uma suspeita científica desde os anos 70.
O avanço foca-se no bismuto, um elemento denso perto do chumbo. Como o bismuto tem um núcleo massivo, atrai intensamente os seus eletrões internos. Estes eletrões orbitam a velocidades próximas da luz. Nestas velocidades extremas, aplicam-se as regras da relatividade especial de Albert Einstein. "Esta ideia de que a relatividade é importante em elementos pesados existe desde os anos 70", disse Lai-Sheng Wang, professor de química na Brown University. "Mas mostramos evidências espectroscópicas diretas de que o que aprendemos sobre ligações químicas não é verdade em elementos pesados."
Para observar isto, o grupo focou-se numa molécula carregada negativamente com um átomo de carbono e um de bismuto. A equipa experimental, liderada pelos candidatos a doutoramento Deniz Kahraman e Jie Hui, da Brown University, congelou as amostras a temperaturas próximas de zero absoluto. Isto minimizou o movimento molecular, permitindo medições precisas.
Usando a espectroscopia fotoeletrónica, os cientistas dispararam lasers nas moléculas para libertar eletrões. Isto permitiu-lhes medir a força das ligações e observar como os átomos estavam ligados. O que descobriram desafiou os diagramas escolares. As altas velocidades dos eletrões ativaram um fenómeno quântico chamado acoplamento spin-órbita. Em vez da clássica configuração de uma ligação sigma e duas pi, a ligação carbono-bismuto mostrou uma ligação pi e duas ligações híbridas com características mistas.
"A fronteira entre uma ligação sigma e uma ligação pi está agora um pouco desfocada", explicou Wang. "Ainda temos três ligações, mas já não temos estritamente uma sigma ou uma pi." O lado teórico foi resolvido por Kirk Peterson, um químico computacional da Washington State University, cujos cálculos corresponderam aos dados experimentais. Peterson notou que os efeitos relativistas destroem a simetria tradicional da molécula. "É realmente único em elementos pesados", disse Peterson. "É aqui que os efeitos da relatividade especial se tornam muito fortes."
A descoberta foi uma surpresa. O laboratório de Wang investigava originalmente aglomerados de boro. Quando os dados invulgares apareceram, os estudantes analisaram-nos e perceberam que estavam a observar efeitos relativistas. Isto levou Wang a contactar Peterson. A colaboração representou um reencontro para os dois cientistas seniores, que já tinham trabalhado juntos nos anos 90. Peterson chamou ao reencontro um momento de "círculo completo", notando a alegria de encontrar algo novo por acidente.
O financiamento veio da U.S. National Science Foundation e do U.S. Department of Energy. Para além de reescrever materiais educativos, a compreensão destes elementos pesados tem aplicações práticas. O bismuto está a ser explorado como um substituto mais seguro para o chumbo em novas tecnologias de painéis solares. À medida que os cientistas exploram o lado mais pesado da tabela periódica, as regras fundamentais da química precisarão de uma atualização. Os diagramas rígidos do passado estão a dar lugar a uma realidade mais complexa, onde a velocidade da luz dita como os blocos de construção da matéria se unem.