Nuevas fronteras de la materia

Cazadores de elementos

Todos los elementos presentes en la naturaleza se conocen desde hace mucho tiempo. Para dar con uno nuevo en estos tiempos, primero hay que crearlo.

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Cazadores de elementos

Yuri Oganessian, tiza en mano, dirige el equipo ruso al que se atribuye la creación de 11 nuevos elementos pesados. 

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Foto: Max Aguilera-Hellweg

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Cazadores de elementos

La tabla periódica, ideada en 1869 por Dmitri Mendeléyev, surge de la oscuridad entre viejas herramientas y piezas de repuesto en un rincón del Laboratorio Flerov de Reacciones Nucleares de Dubna, Rusia. Allí los físicos añaden nuevos elementos a la tabla, fusionando otros ya conocidos. 

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Cazadores de elementos

En Dubna, cuatro imanes azules concentran los iones de calcio en un fino rayo que viaja a una décima parte de la velocidad de la luz. Cuando el calcio choca contra una diana revestida con un elemento mucho más pesado, los dos tipos de átomos pueden fundirse y formar un nuevo átomo superpesado. 

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Cazadores de elementos

Crear elementos superpesados es difícil, pero identificarlos puede serlo aún más. Este dispositivo del laboratorio de Dubna detecta los neutrones emitidos durante la creación de un nuevo elemento. A causa de su fugacidad, el nuevo elemento debe identificarse por su patrón de desintegración radiactiva.  

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Foto: Max Aguilera-Hellweg

18 de junio de 2013

El 22 de octubre pasado, a las 9.29 horas, sonó un timbre en la oficina principal del laboratorio de Yuri Oganessian en Dubna, al norte de Moscú. En una concurrida sala, 12 físicos nucleares estaban sentados delante de unos escritorios llenos de papeles y tentempiés. Al otro lado del vestíbulo, un ciclotrón bombardeaba una lámina metálica con iones de calcio lanzados a 108 millones de kilómetros por hora. El timbre era la señal de que una de aquellas colisiones había dado resultado: había nacido un nuevo átomo. En ese momento era el único átomo del elemento 117 existente en la Tierra, y apenas el decimonoveno de la historia. Los anteriores también habían visto la luz en ese laboratorio, y todos habían desaparecido rápidamente. Al cabo de una fracción de segundo, este también se esfumó.

Dubna, situada a orillas del Volga, fue levantada como nueva ciudad de la ciencia después de la Segunda Guerra Mundial. Georgi Flerov, uno de los impulsores de la investigación soviética sobre armas nucleares, fundó el laboratorio que más adelante dirigiría Oganessian. Al principio de la guerra, Flerov sospechó que estadounidenses y alemanes estaban construyendo bombas atómicas, y en abril de 1942 se lo comunicó en una carta a Yósif Stalin. El líder soviético encargó entonces a los físicos rusos que también ellos construyeran una bomba. Por su participación, Flerov fue recompensado con un coche, una dacha y el laboratorio en Dubna, donde dedicó sus esfuerzos a la caza de nuevos elementos.

Todo lo que hay en el mundo está hecho de elementos químicos: son los diferentes tipos de átomos, que en su mayoría tienen miles de millones de años. Fueron dispersados en el espacio por el Big Bang o por explosiones estelares, después se incorporaron a la Tierra en formación, y desde entonces se reciclan sin cesar, pasando de las rocas a las bacterias, a las plantas, a los animales y a las personas. A finales del siglo XIX, otro ruso, el químico Dmitri Mendeléyev, intentó ordenarlos y los agrupó según su masa y otros atributos en la llamada tabla periódica. Posteriormente otros científicos descubrieron que el orden impuesto por Mendeléyev reflejaba la estructura de los átomos. A cada elemento se le adjudicó un número, correspondiente al número de protones presentes en su núcleo atómico.

En 1940, los investigadores ya habían descubierto todos los elementos estables y antiguos que hay en la Tierra, hasta el uranio, el elemento 92. Pero más allá del uranio había un sinfín de posibilidades: elementos demasiado radiactivos e inestables para haber sobrevivido miles de millones de años. Para explorar ese mundo, primero había que crearlo.

Los primeros pasos de esa creación cambiaron algo más que la tabla periódica. En 1941, después de que Glenn Seaborg y sus colaboradores de la Universidad de California en Berkeley produjeran el elemento 94, el plutonio, Seaborg fue reclutado para el Proyecto Manhattan. Flerov tenía razón. Tras colaborar en el diseño de la bomba de plutonio que fue arrojada sobre Nagasaki, Seaborg regresó a Berkeley y siguió produciendo nuevos elementos, algunos con aplicaciones menos dramáticas (detectores de humo, por ejemplo) y otros con ninguna utilidad. En 1955 su equipo obtuvo el elemento 101, al que llamó mendelevio. Durante un tiempo pareció que la tabla de Mendeléyev fuera a terminar ahí, con el elemento bautizado en su honor.

Los protones tienden a desintegrar el núcleo atómico, porque sus cargas eléctricas positivas se repelen entre sí. Los neutrones (partículas eléctricamente neutras que superan en número a los protones) contribuyen a mantener el núcleo unido. Pero esa fuerza unificadora solo funciona en distancias extremadamente cortas y se debilita de forma notable a medida que aumenta el tamaño del núcleo. Así pues, tiene que haber una última casilla en la tabla periódica, un tamaño máximo más allá del cual un átomo no pueda ser estable ni siquiera fugazmente. Con el mendelevio, cuyo período de semidesintegración es de 51,5 días, los investigadores parecían estar cerca de ese límite.

Sin embargo, el equipo de Berkeley siguió adelante, rivalizando con el Laboratorio de Reacciones Nucleares de Flerov, en el Instituto Conjunto de Investigación Nuclear de Dubna. Entre 1965 y 1974, Berkeley anunció la producción de los elementos 102, 103, 104, 105 y 106, pero lo hizo prácticamente al mismo tiempo que Dubna. Aquellos fugaces elementos químicos se desintegraban en cuestión de horas. La disputa sobre quién los había conseguido primero se agudizó durante la Guerra Fría. Al final se llegó a un entendimiento: el elemento 105 recibió el nombre de dubnio, y el 106 fue bautizado como seaborgio.

Mientras tanto, los teóricos habían conferido un nuevo sentido a la búsqueda. Postularon que un núcleo muy grande podía ser asombrosamente estable, siempre que tuviera un «número mágico» de protones y neutrones: una cantidad suficiente para llenar completamente las diferentes capas que ocupan las partículas. Si era correcta, esa nueva perspectiva podía cambiarlo todo. Podía significar que quizás hubiera una «isla de estabilidad» más allá del horizonte, donde elementos superpesados con 114, 120 o 126 protones duraran minutos, semanas o incluso miles de años. Ese sueño incierto de un nuevo mundo hizo que de pronto la aventura resultara mucho más atractiva. Fue más o menos en la época en que Oganessian se incorporó al laboratorio de Flerov.

Una tarde del otoño pasado en Dubna, mi intérprete y yo llamamos a la puerta de la casa de Oganessian, en la calle Flerov. Nubes bajas de nieve se cernían sobre nuestras cabezas y los grajos saltaban alrededor de las farolas. Oganessian nos sirvió té, café y un vino casero armenio. Hablamos de música folk americana, de nuestros hijos y de nuestros viajes. Y al final volvimos a su aventura en busca de la isla de estabilidad.

En su juventud, la isla parecía imposible de alcanzar. Los laboratorios de Berkeley y Dubna habían llegado al elemento 106 por el procedimiento de bombardear núcleos pesados con núcleos ligeros con tanta fuerza que se fusionaban en un solo núcleo superpesado. Pero más allá del 106, las colisiones liberaban tanta energía que el nuevo núcleo saltaba en pedazos antes incluso de formarse. En 1974 Oganessian sugirió que el uso de «balas» un poco más pesadas y «dianas» un poco más ligeras podía producir colisiones más suaves y a la vez más fructíferas. Un laboratorio de Darmstadt, en Alemania, aprovechó la idea para producir los elementos 107 al 112.

El laboratorio de Dubna atravesó una época difícil. Flerov murió en 1990 y la Unión Soviética se desintegró en 1991. Los investigadores estuvieron meses sin cobrar. Tuvieron que recoger setas en el bosque y pescar en el Volga. En aquella época Oganessian era el director del laboratorio y habría podido poner el rumbo hacia objetivos más prácticos, pero en lugar de eso, decidió seguir adelante a toda máquina hacia el elemento 114: la costa más cercana de la isla de estabilidad.

Para producir el elemento 114, Oganessian pensaba bombardear plutonio (94 protones) con calcio (20 protones). Su ciclotrón podía hacerlo. Pero necesitaba isótopos raros de calcio y de plutonio, con la cantidad de neutrones necesaria para mantener unidos 114 protones. Logró convencer a los físicos del Laboratorio Nacional Lawrence Livermore de California para que le proporcionaran 20 miligramos de plutonio. El plan consistía en acelerar los núcleos de calcio hasta una décima parte de la velocidad de la luz y hacerlos chocar contra una lámina metálica revestida con el valioso plutonio. Entre los billones de átomos que saldrían despedidos por el otro lado de la lámina, más delgada que un cabello, Oganessian esperaba encontrar a lo sumo un átomo del elemento 114. Su equipo, en colaboración con el de Livermore, inventó un nuevo detector para encontrarlo.

En noviembre de 1998 encendieron el ciclotrón. Requería atención constante, día y noche. «Si fuera una persona, sería un anciano», me comentó uno de los técnicos del laboratorio. A finales de aquel mes, el ciclotrón produjo un solo átomo del elemento 114. Duró apenas unos segundos, miles de veces más tiempo de lo que habría durado si no hubiera existido la isla de estabilidad, y demostró además que el método del calcio funcionaba. Desde entonces, el de Dubna y otros laboratorios han producido los elementos 115, 116, 117 y 118, así como algunos de sus isótopos con diferente número de neutrones. Todavía están muy lejos de alcanzar la cumbre de la isla, donde un elemento podría durar años, pero Oganessian llegó a sus costas cuando consiguió por primera vez el elemento 114.

La primavera pasada, el elemento 114 fue admitido formalmente en la tabla periódica con un nombre: flerovio. (El 116 recibió el nombre de livermorio.) Unos meses después, en la calle Flerov, hice la pregunta que me pareció más evidente: ¿No le apetecía a Oganessian, a sus 80 años, retirarse para disfrutar de una vida tranquila y llena de reconocimiento?

«Hemos descubierto la isla –respondió él–. Ahora es el momento de explorarla y de recorrer la costa occidental.» Alguien tiene que estudiar cómo se comportan los elementos nuevos, solos o en reacción con otros. Alguien tiene que llegar a la cima de la isla. Alguien tiene que ver si hay otras cumbres en los elementos 120 o 126. Por ahora esos objetivos parecen casi imposibles. Por eso Oganessian no piensa retirarse todavía.