Físicos teóricos revelan uno de los conceptos más omnipresentes y elusivos de la química
Incluso si los estudiamos en la escuela, los números de oxidación han eludido hasta ahora cualquier definición mecánica cuántica rigurosa. Un nuevo estudio de SISSA, publicado en Nature Physics, invierte este estado de cosas al proporcionar tal definición, basada en la teoría de los números cuánticos topológicos, que fue galardonada con el Premio Nobel de Física 2016 concedido a Thouless, Haldane y Kosterlitz. Este resultado, combinado con los recientes avances en la teoría del transporte logrados en SISSA, allana el camino para una simulación numérica precisa, pero manejable, de una amplia clase de materiales que son importantes en las tecnologías relacionadas con la energía y las ciencias planetarias.
Los números de oxidación se definen a partir de la carga entera transportada en trayectorias atómicas periódicas, de acuerdo con la teoría de Thouless de cuantificación de transporte de carga. La figura muestra una trayectoria de energía mínima de un ión K en un modelo de KCl líquido.
Grasselli and Baroni, SISSA
Cada estudiante universitario en ciencias naturales aprende a asociar un número entero de oxidación a una especie química que participa en una reacción. Desafortunadamente, el concepto mismo de estado de oxidación ha eludido hasta ahora una rigurosa definición mecánica cuántica, de modo que hasta ahora no se conocía ningún método para calcular los números de oxidación a partir de las leyes fundamentales de la naturaleza, por no hablar de demostrar que su uso en la simulación del transporte de cargas no estropea la calidad de las simulaciones numéricas. Al mismo tiempo, la evaluación de las corrientes eléctricas en los conductores iónicos, que es necesaria para modelar sus propiedades de transporte, se basa actualmente en un engorroso enfoque cuántico-mecánico que limita gravemente la viabilidad de las simulaciones informáticas a gran escala. Los científicos han notado últimamente que un modelo simplificado en el que cada átomo lleva una carga igual a su número de oxidación puede dar como resultado un sorprendente buen acuerdo con enfoques rigurosos pero mucho más costosos. Combinando la nueva definición topológica del número de oxidación con la llamada "invariancia de calibre" de los coeficientes de transporte, recientemente descubierta en SISSA, Federico Grasselli y Stefano Baroni demostraron que lo que se consideraba una mera coincidencia se encuentra en realidad sobre bases teóricas sólidas, y que el modelo simple de carga entera captura las propiedades de transporte eléctrico de los conductores iónicos sin ninguna aproximación.
Además de resolver un problema fundamental en la física de la materia condensada, este resultado, logrado en el marco del Centro de Excelencia Europeo MAX para aplicaciones de supercomputación, también representa un gran avance para las aplicaciones, ya que permite simulaciones cuánticas de transporte de carga computacionalmente viables en sistemas iónicos de importancia primordial en tecnologías relacionadas con la energía, en los sectores de automoción y telecomunicaciones, así como en las ciencias planetarias. Estas aplicaciones van desde las mezclas iónicas adoptadas en las células electrolíticas y los intercambiadores de calor de las centrales eléctricas, pasando por las baterías de electrolitos de estado sólido para coches eléctricos y dispositivos electrónicos, hasta las fases exóticas de conducción del agua que se producen en el interior de los gigantes helados, que se supone que están relacionadas con el origen de los campos magnéticos en estos planetas.
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