Descubrimiento de tablas periódicas para moléculas
Los científicos del Instituto Tecnológico de Tokio (Tokyo Tech) desarrollan tablas similares a la tabla periódica de elementos pero para moléculas. Su enfoque podría utilizarse para predecir nuevas sustancias estables y crear materiales útiles.
Figura 1. Patrones orbitales para diferentes simetrías estructurales El modelo propuesto tiene en cuenta los patrones orbitales que obedecen ciertas reglas para muchos tipos de simetrías. Aunque una esfera tiene la mayor simetría geométrica, no existe una especie poliatómica real con una simetría esférica.
Tokyo Institute of Technology
Figura 2. Una tabla periódica para varios tipos de moléculas tetraédricas En el marco propuesto, habría conjuntos de tablas para cada tipo de simetría organizada de acuerdo con cuatro parámetros: grupos y períodos (número de electrones), familias (número de átomos que constituyen) y especies (tipo de elementos que constituyen).
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La tabla periódica de elementos fue propuesta en 1869, y después se convirtió en una de las piedras angulares de las ciencias naturales. Esta tabla fue diseñada para contener todos los elementos (átomos) que se encuentran en la naturaleza en una disposición especial que los agrupa en filas y columnas de acuerdo con una de sus características más importantes, el número de electrones. Los científicos han utilizado la tabla periódica durante décadas para predecir las características de los elementos entonces desconocidos, que se añadieron a la tabla con el tiempo.
¿Podría haber una tabla periódica para las moléculas? Aunque algunos investigadores han pensado en esta posibilidad y han propuesto reglas periódicas para predecir la existencia de ciertas moléculas, estas predicciones eran válidas sólo para grupos de átomos con una simetría cuasiesférica, debido a las limitaciones de su propia teoría. Sin embargo, hay muchos grupos de átomos con otras formas y otros tipos de simetrías que deberían tenerse en cuenta con un modelo mejor. Así, un equipo de investigación del Tokyo Tech, incluyendo al Dr. Takamasa Tsukamoto, el Dr. Naoki Haruta, el Prof. Kimihisa Yamamoto y sus colegas, propuso un nuevo enfoque para construir una tabla periódica para moléculas con múltiples tipos de simetrías.
Su enfoque se basa en una observación aguda sobre el comportamiento de los electrones de valencia de los átomos que forman grupos moleculares. Los electrones de valencia pueden considerarse como electrones "libres" en los átomos con una órbita externa, y por lo tanto pueden interactuar con los electrones de otros átomos para formar compuestos. Cuando múltiples átomos forman un cúmulo con una forma simétrica, sus electrones de valencia tienden a ocupar determinadas órbitas moleculares llamadas "superórbitas atómicas", en las que se comportan casi exactamente como si fueran los electrones de un átomo enorme.
Al considerar este hecho y analizar los efectos de las simetrías estructurales para los cúmulos (Fig. 1), los investigadores propusieron "modelos orbitales adaptados a la simetría (SAO)", que están de acuerdo con múltiples moléculas conocidas, así como con cálculos cuánticos-mecánicos de última generación. Las nuevas tablas periódicas, que se crearían para cada tipo de simetría, serían en realidad cuatridimensionales, como se muestra en la Fig. 2, porque las moléculas estarían dispuestas según cuatro parámetros: grupos y períodos (basados en sus electrones de "valencia", similares a la tabla periódica normal), especies (basados en los elementos constitutivos), y familias (basados en el número de átomos).
El enfoque de SAO es muy prometedor en el campo del diseño de materiales. "Las modernas técnicas de síntesis nos permiten producir muchos materiales innovadores basados en el modelo SAO, como los materiales magnéticos ligeros", afirma el profesor Yamamoto. El camino a seguir para los científicos consiste en ampliar aún más estas tablas a clusters moleculares con otras formas y simetrías y predecir moléculas estables que aún no se han desarrollado. "Entre las infinitas combinaciones de elementos constitutivos, la tabla periódica propuesta será una contribución significativa al descubrimiento de nuevos materiales funcionales", concluye el profesor Yamamoto.
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