Los electrones solvatados pueden convertir un cemento en semiconductor.

Cuando nos preguntan cuál es el catión más pequeño respondemos, a poco que hayamos estudiado algo de química general, que es el protón. Si nos preguntan en cambio por el anión más pequeño es probable que respondamos fluoruro o algo similar. Sin embargo una serie de disoluciones que se conocen desde hace dos siglos y están descritas a nivel molecular desde hace casi uno, nos indican que el electrón se comporta como un anión, solvatándose (rodeándose de forma ordenada) con moléculas del solvente, y dotando a la disolución de propiedades metálicas. Ahora, un equipo de investigadores del Instituto Tecnológico de Tokio (Japón), encabezado por Sung Wgn Kim, ha conseguido electrones solvatados en mayenita, un componente de los cementos aluminosos, haciendo al compuesto fundido conductor y a su forma sólida (amorfa) semiconductora. Los resultados se publican en Science.

En 1808 Humphry Davy describió lo que ocurría cuando exponía un metal alcalino al amoniaco: a bajas concentraciones la disolución adquiría un color azul brillante y se comportaba como un electrolito; pero si aumentaba la concentración por encima de lo que hoy llamaríamos 3M (tres molar) la disolución adquiría un intenso color de bronce dorado y tenía la conductividad de un auténtico metal. No fue hasta 1914 que se dio una descripción del fenómeno: “el electrón negativo rodeado con un recubrimiento de moléculas de solvente”; en 1916 se introdujo el término “electrones solvatados” para describir al anión más simple en disolución.

Lo que ha conseguido ahora el equipo de Kim es demostrar que un fenómeno equivalente puede cambiar la mayenita 12CaO·7Al₂O₃ de aislante a conductor metálico. Los investigadores consiguen que sea conductor a temperaturas muy altas (1873 K), reduciendo la mayenita con titanio. Este tratamiento reemplaza algunos de los oxígenos de la estructura con electrones solvatados que terminan atrapados en una jaula atómica.

Con estos electrones solvatados la mayenita pasa de ser transparente e incolora a marrón oscura. En el estado fundido la mayenita presenta una conducción metálica cinco órdenes de magnitud superior a la habitual. En la forma sólida (amorfa, no es un cristal sino un vidrio), la mayenita es menos conductora, y los investigadores creen que se debe a que los electrones enjaulados forman pares de espín correlacionados (pares diamagnéticos).

El desarrollo de materiales con electrones solvatados como la mayenita podría dar paso a la consecución de vidrios semiconductores.

Hay un aspecto al que los investigadores no han conseguido dar de momento una explicación, y que será también más o menos evidente para el que haya leído hasta aquí: ¿cómo se mueven los electrones en la estructura de mayenita?

Esta es una participación de Experientia docet en la VI Edición del Carnaval de Química que organiza Divagaciones de una investigadora en apuros.

Referencia:

Kim, S., Shimoyama, T., & Hosono, H. (2011). Solvated Electrons in High-Temperature Melts and Glasses of the Room-Temperature Stable Electride [Ca24Al28O64]4+*4e- Science, 333 (6038), 71-74 DOI: 10.1126/science.1204394