Demuestran una rareza de la física

Aunque sean invisibles a simple vista, los átomos que forman la materia interactúan de modo constante. La regla general es que los protagonistas de esa interacción son los electrones que están en las órbitas más externas de cada átomo. Sin embargo, un equipo internacional que incluye a un físico argentino demostró que en el grafeno los electrones que se mueven en las órbitas internas también tienen la capacidad de "saltar" entre diferentes átomos.

El grafeno es un material aislado en laboratorio que no existe en la naturaleza y que se caracteriza por tener una única capa de átomos de carbono, organizada en una estructura hexagonal similar a la de un panal de abejas. Un material "hermano" es el grafito (el que se usa en las minas de los lápices), que resulta del apilamiento de muchas capas de grafeno.

Los resultados de la investigación, realizada por científicos de Italia, Dinamarca, Alemania y la Argentina, acaban de ser publicados en Nature Physics .

Hasta ahora se sabía que cuando dos o más átomos interactúan, lo hacen mediante los electrones de sus órbitas más externas, llamados "electrones de valencia". Pero los investigadores demostraron que en el grafeno también actúan los electrones más próximos al núcleo, llamados "de carozo".

Sólo existen dos antecedentes de este mismo fenómeno: en las moléculas de acetileno y de nitrógeno en estado gaseoso. "Es la primera vez que se reporta este fenómeno en un material sólido", destacó el físico Guillermo Zampieri, investigador de la Comisión Nacional de Energía Atómica (CNEA) en el Centro Atómico Bariloche.

El modelo orbital del átomo postula que está compuesto por un núcleo, formado por protones y neutrones, alrededor del cual "orbitan" los electrones en diferentes órbitas y con diferentes energías. En el caso del carbono, el núcleo tiene seis protones, alrededor del cual orbita el mismo número de electrones, dos en una órbita muy interna y con una energía muy alta, y cuatro en órbitas externas y con menor energía.

Zampieri, que es, además, docente del Instituto Balseiro e investigador del Conicet, destacó que el indicio principal que tuvieron de que ocurría algo fuera de lo común fue la detección de una variación de energía en los experimentos realizados hace más de seis años en Italia.

"Los dos factores clave para que ocurra este efecto son el radio de la órbita en que se mueven los electrones de carozo y la distancia entre un átomo y su vecino. Cuanto más grande sea el radio de la órbita de los electrones de carozo y menor sea la distancia entre átomos, más chances hay de que ocurra este fenómeno", señaló Zampieri, que nació en Entre Ríos y vive en Bariloche desde hace más de 20 años.

Su colega Philip Hofmann, del Instituto Inano de la Universidad de Aarhus, Dinamarca, que también participó de la investigación, subrayó que el equipo tardó en encontrar una explicación al fenómeno. "Fue una gran sorpresa observar que los electrones de carozo pueden "saltar" de un átomo a otro. Estuvimos varios años intrigados tratando de entender qué ocurría, y para eso tuvimos que descartar varias explicaciones exóticas", dijo Hofmann.

Al ser consultado sobre las posibles aplicaciones de este hallazgo, Hofmann respondió: "Es uno de los resultados más hermosos de mi carrera, pero todavía no sé si tendrá alguna aplicación práctica. La importancia de este hallazgo es su belleza y simplicidad".

Para el físico Franz Himpsel, de la Universidad de Wisconsin Madison, en los Estados Unidos, que no participó de esta investigación, este trabajo demostró que la distinción entre los dos tipos de electrones -los de valencia, que viajan de un átomo a otro y los de carozo, que hasta ahora se pensaba que quedaban unidos siempre al mismo átomo- no es tan clara como se pensaba.

"Nos demuestra que los electrones de carozo [del grafeno] pueden comunicarse entre átomos, algo que se pensaba que era imposible", dijo Himpsel.