El bismuto es repelido con tanta fuerza por los imanes que levita. ¿Cómo?
El elemento bismuto puede "flotar" entre imanes debido a la levitación magnética. ¿Cuál es la ciencia detrás de este fenómeno?
El bismuto es un elemento inusual que no encontramos mucho en la vida cotidiana. Pero este bonito metal iridiscente, que se encuentra cerca de la parte inferior de la tabla periódica, exhibe algunas propiedades extraordinarias. La levitación magnética (la capacidad del bismuto de flotar aparentemente entre dos imanes) es quizás una de las más interesantes. La repulsión entre el bismuto y los imanes es tan fuerte que hace que el metal levite.
Pero, ¿por qué el bismuto es repelido con tanta fuerza por los imanes?
Según Eric Riesel, químico de materiales magnéticos del MIT, la respuesta se reduce al tipo de magnetismo que exhibe el bismuto. Todo material tiene propiedades magnéticas, determinadas por una propiedad cuántica de los electrones del elemento conocida como espín. Pero este giro sólo puede apuntar en dos direcciones (hacia arriba o hacia abajo) y la combinación de todos los giros en un material define exactamente qué tipo de magnetismo exhibirá el elemento.
"La mayoría de la gente está familiarizada con los ferromagnetos (imanes permanentes) como el hierro, donde los espines están alineados entre sí, pero también hay antiferromagnetos donde los espines apuntan en direcciones opuestas entre sí", dijo Riesel a WordsSideKick.com.
Sin embargo, también existe otro par de categorías magnéticas: paramagnetismo y diamagnetismo. "En los paramagnetos, cuando se aplica un campo magnético, los espines de ese material se alinearán con el campo en proporción a su fuerza", dijo. "Los diamagnetos aplican una fuerza en dirección opuesta al campo, repeliéndolo".
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El bismuto es un ejemplo de material diamagnético, pero este no es el comportamiento que esperaríamos de la configuración electrónica del elemento. El tipo de magnetismo que exhibe un material depende de la disposición de los electrones y sus correspondientes espines. Los electrones giran alrededor del núcleo en capas definidas llamadas capas, que a su vez se subdividen en niveles llamados orbitales s, d, p y f.
Normalmente, los materiales diamagnéticos tienen una estructura de capa cerrada. Esto significa que un grupo particular de orbitales está completamente lleno y los electrones se han visto obligados a emparejarse, uno apuntando hacia arriba y el otro hacia abajo, anulando esencialmente los espines. Por el contrario, los materiales paramagnéticos suelen tener orbitales parcialmente llenos, lo que significa que los electrones no están apareados y pueden alinear sus espines en la misma dirección.
El bismuto se encuentra en el grupo 15 de la tabla periódica. Los orbitales s, d y f están todos llenos, pero los orbitales p contienen tres de seis electrones posibles. Entonces el bismuto tiene orbitales parcialmente llenos y debería comportarse como un paramagnético. Sin embargo, su posición en la fila seis de la tabla periódica significa que el bismuto también posee algunas propiedades inusuales como átomo pesado.
"Los elementos químicos que se encuentran después del bloque f en la tabla periódica tienen sus electrones más externos orbitando el núcleo a velocidades que son fracciones significativas de la velocidad de la luz", dijo Ira Martyniak, también químico de materiales magnéticos en MIT. "El efecto relativista directo hace que los orbitales 6s y 6p se contraigan y residan más cerca del núcleo, lo que da lugar a características físicas y químicas anómalas".
Estos efectos relativistas son responsables de muchas de las sorprendentes propiedades del bismuto, como su superconductividad no convencional, su bajísimo punto de fusión (520,7 grados Fahrenheit o 271,5 grados Celsius) y la forma inusual de sus cristales. El diamagnetismo inesperado no es una excepción.
"Aunque el bismuto tiene electrones desapareados en su orbital 6p, debido a la contracción relativista de los niveles 6s y 6p, el paramagnetismo derivado de los electrones 6p se suprime y el comportamiento del bismuto está dominado en gran medida por las capas cerradas y el gran tamaño de las capas átomo, lo que lleva a un fuerte diamagnetismo", dijo Martyniak a WordsSideKick.com.
Los materiales diamagnéticos tienen muchas aplicaciones valiosas, incluida la inducción electromagnética en bobinas de cobre (utilizadas para generar electricidad) y las vías de aluminio de los trenes maglev de alta velocidad. El bismuto en sí es demasiado pesado para ser un material práctico de uso general, pero su potente diamagnetismo significa que ahora es un componente común en los superconductores y la computación cuántica.