Las clases de química enseñan que un enlace triple tiene un enlace sigma fuerte y dos enlaces pi más débiles. Sin embargo, en los elementos más pesados de la tabla periódica, los electrones se mueven tan rápido que rompen estas reglas. Por primera vez, un equipo de las universidades Brown y Washington State ha encontrado pruebas experimentales de que las fuerzas relativistas cambian la naturaleza de los enlaces químicos. Este descubrimiento confirma una sospecha científica de los años 70.
El avance se centra en el bismuto, un elemento denso cerca del plomo. Su núcleo masivo atrae fuertemente a sus electrones internos. Estos electrones orbitan a velocidades cercanas a la de la luz. A estas velocidades, se aplican las reglas de la relatividad especial de Albert Einstein. "La idea de que la relatividad es importante en elementos pesados existe desde los años 70", dice Lai-Sheng Wang, profesor de química en Brown. "Pero mostramos evidencia directa de que lo que aprendimos en la escuela sobre enlaces químicos no es cierto en elementos pesados".
Para observar esto, el equipo estudió una molécula con un átomo de carbono y uno de bismuto. Congelaron las muestras a temperaturas muy bajas para minimizar el movimiento molecular. Usando espectroscopía de fotoelectrones, dispararon láseres para extraer electrones y medir la fuerza de los enlaces. Descubrieron que las altas velocidades de los electrones causaban un fenómeno cuántico llamado acoplamiento espín-órbita. Esto mezclaba los enlaces sigma y pi, creando un enlace pi y dos enlaces híbridos. "El límite entre un enlace sigma y un enlace pi ahora está difuminado", explica Wang. "Todavía tenemos tres enlaces, pero ya no son estrictamente sigma o pi". Kirk Peterson, un químico computacional de Washington State University, realizó cálculos que coincidieron con los datos experimentales, explicando que los efectos relativistas destruyen la simetría tradicional de la molécula. "Es realmente único en elementos pesados", dijo Peterson. "Aquí es cuando los efectos de la relatividad especial se vuelven muy fuertes".
El descubrimiento fue una sorpresa, ya que el laboratorio de Wang investigaba originalmente cúmulos de boro. Los datos inusuales los llevaron a darse cuenta de los efectos relativistas, lo que impulsó la colaboración con Peterson. El proyecto recibió financiación de la Fundación Nacional de Ciencias de EE. UU. y el Departamento de Energía de EE. UU. Comprender estos elementos pesados tiene aplicaciones prácticas, como el uso de bismuto como sustituto del plomo en paneles solares.