Di solito pensiamo alla relatività come a qualcosa che accade vicino ai buchi neri. O negli acceleratori di particelle. Lontano. Non nella bottiglia di acetone sulla tua scrivania. Ma le strane idee di Albert Einstein sono più vicine di quanto pensi. Molto più vicino.
All’interno degli atomi pesanti, gli elettroni si muovono così velocemente da risentire degli effetti della relatività speciale.
Lai-Sheng Wang della Brown University e il suo team lo hanno appena colto sul fatto. Per la prima volta. Hanno esaminato una molecola fatta di bismuto e carbonio. Il bismuto è pesante. Si trova vicino al fondo della tavola periodica. Gli elettroni attorno ad esso non si limitano a sfrecciare; stanno accelerando abbastanza da far sì che le regole standard della meccanica quantistica inizino a scivolare.
La relatività speciale non si limita più a piegare il tempo e lo spazio. Sta rimodellando i legami chimici.
Il pasticcio del sigma pi
Ecco come funziona normalmente. Hai due atomi collegati. Gli elettroni tra loro formano legami. Pensa ai legami sigma come a una sovrapposizione frontale. Come una stretta di mano. Legami Pi si sovrappongono fianco a fianco. Come stare uno accanto all’altro e unire le braccia. È un’immagine ordinata. Pulito. Prevedibile.
Il team di Wang ha mappato la distribuzione degli elettroni nella molecola di bismuto-carbonio. Si aspettavano tre obbligazioni. Un sigma. Due pi greco. Tariffa standard.
Hanno guardato i dati. Era sbagliato.
Invece di forme distinte sigma o pi, hanno visto una sfocatura. Due delle obbligazioni erano ibridi disordinati. Un mix di tutto. “I loro personaggi sono diversi dalla normale comprensione”, ha detto Wang. Non potresti nemmeno chiamarli sigma o pi.
Perché? Il nucleo di bismuto è massiccio. Attira con forza quegli elettroni interni. Così difficile, infatti, che l’interazione elettromagnetica costringe gli elettroni a velocità relativistiche.
Kirk Peterson della Washington State University ha fatto i numeri. Lo ha confermato. Questa miscelazione è avvenuta perché gli elettroni vicino al bismuto si muovevano abbastanza vicino alla velocità della luce da interessare i calcoli di Einstein. Peterson definisce i dati sperimentali “un lusso”. Nota quanto sia difficile ottenere buoni dati per gli elementi pesanti.
Freddo e limpido
C’era un trucco per vederlo chiaramente. Non puoi avere elettroni traballanti. Wang ha raffreddato drasticamente le molecole. Molto freddo.
Questo ha ucciso il jitter. Nessun rumore termico. Nessuna sfocatura. Solo una mappa nitida di dove volevano essere gli elettroni. Senza questo passaggio la distorsione relativistica si sarebbe persa nella staticità.
Viene da chiedersi perché ignoriamo così spesso la relatività nelle lezioni di chimica.
Trond Saue dell’Università di Tolosa lo dice chiaramente: la meccanica quantistica standard crolla in fondo alla classifica. Hai bisogno della relatività per farlo funzionare. Questa non è una novità in teoria. Per questo motivo l’oro è giallo invece che bianco-argento. Il mercurio è un liquido invece che un blocco solido. Ma vederlo cambiare attivamente il modo in cui gli atomi si legano? Questo è raro.
Pekka Pyykkö di Helsinki afferma che questo è importante per la chimica. Se si utilizza il bismuto nelle reazioni organiche, la svolta relativistica sui legami potrebbe cambiare il modo in cui si comporta. Potrebbe renderlo un catalizzatore migliore. O uno peggiore. Studi recenti presso l’istituto Max Planck suggeriscono già che gli effetti relativistici rendono il bismuto un buon acceleratore per alcuni processi chimici.
Quindi la struttura obbligazionaria è crollata? Non esattamente. È semplicemente cambiato.
Wang vuole sapere quando. Esattamente quale punto della tavola periodica fa fallire completamente i legami tradizionali. Stanno scambiando il bismuto con i vicini per testare i limiti.
Sembra che stiamo solo grattando la superficie della chimica degli elementi pesanti. Probabilmente i vecchi libri di testo sono ormai superati. Ma nessuno ha ancora aggiornato le copertine.
La cosa più difficile è la mancanza di dati sperimentali veramente validi.
Oggi la situazione cambia. Forse domani anche il carbone nella tua penna si comporterà in modo strano. Probabilmente no. Ma perché dare per scontato di no?
