Conozca a los misteriosos electruros

Durante casi un siglo, los geocientíficos han reflexionado sobre un misterio: ¿dónde están los elementos más ligeros de la Tierra? En comparación con las cantidades presentes en el Sol y en algunos meteoritos, la Tierra tiene menos hidrógeno, carbono, nitrógeno y azufre, así como gases nobles como el helio —en algunos casos, más del 99 % menos—.

Parte de esta disparidad se explica por los elementos perdidos hacia el sistema solar durante la formación de nuestro planeta. Sin embargo, los investigadores sospechan desde hace tiempo que también hay algo más.

Recientemente, un equipo de científicos ha dado a conocer una posible explicación: los elementos se esconden en las profundidades del núcleo interno sólido de la Tierra. A su altísima presión —360 gigapascales, 3,6 millones de veces la presión atmosférica—, el hierro se comporta de forma extraña y se convierte en un electruro: una forma poco conocida del metal que puede absorber elementos más ligeros.

El coautor del estudio, Duck Young Kim, físico de estado sólido del Centro de Investigación Avanzada en Ciencia y Tecnología de Alta Presión de Shanghái, afirma que la absorción de estos elementos ligeros puede haber ocurrido gradualmente a lo largo de unos 2.000 millones de años, y que puede que aún continúe hoy en día. Esto explicaría por qué el movimiento de las ondas sísmicas que viajan a través de la Tierra sugiere una densidad del núcleo interno entre un 5 % y un 8 % inferior a la esperada si fuera solo metal.

Los electruros, en más de un sentido, están viviendo su momento. No solo podrían ayudar a resolver un misterio planetario, sino que ahora pueden fabricarse a temperatura y presión ambiente a partir de una serie de elementos. Y dado que todos los electruros contienen una fuente de electrones reactivos que se donan fácilmente a otras moléculas, son catalizadores ideales y otros tipos de agentes que ayudan a impulsar reacciones difíciles.

Ya se está utilizando un electruro para catalizar la producción de amoníaco, un componente clave de los fertilizantes; sus desarrolladores japoneses afirman que el proceso utiliza un 20 % menos de energía que la fabricación tradicional de amoníaco. Mientras tanto, los químicos están descubriendo nuevos electruros que podrían dar lugar a métodos más baratos y ecológicos de producir fármacos.

El reto actual es encontrar más de estos interesantes materiales y comprender las reglas químicas que rigen su formación.

Electruros a alta presión

La mayoría de los sólidos están formados por redes ordenadas de átomos, pero los electruros son diferentes. Sus redes tienen pequeños huecos donde los electrones se sitúan por sí solos.

Los metales normales tienen electrones que no están unidos a un átomo. Se trata de los electrones externos, o de valencia, que se mueven libremente entre los átomos, formando lo que a menudo se denomina un “mar de electrones” deslocalizado. Esto explica por qué los metales conducen la electricidad.

Los electrones externos de los electruros tampoco orbitan alrededor de un átomo concreto, pero no pueden moverse libremente. En cambio, quedan atrapados en sitios entre átomos que se denominan atractores no nucleares. Esto confiere a los materiales propiedades únicas. En el caso del hierro del núcleo terrestre, las cargas negativas de los electrones estabilizan los elementos más ligeros en los atractores no nucleares que se formaron a presiones muy elevadas, 3.000 veces superiores a las del fondo del océano más profundo. Los elementos se difundirían en el metal, lo que explicaría dónde desaparecieron.

El primer metal que se descubrió que formaba un electruro a alta presión fue el sodio, según se informó en 2009. A una presión de 200 gigapascales (2 millones de veces superior a la presión atmosférica), se transforma de un metal brillante, reflectante y conductor en un material transparente, vítreo y aislante. Este hallazgo fue “muy extraño”, afirma Stefano Racioppi, químico computacional y teórico de la Universidad de Cambridge, en el Reino Unido, que trabajó en electruros de sodio mientras estaba en el laboratorio de Eva Zurek, en la Universidad de Buffalo, en el estado de Nueva York. Las primeras teorías, afirma, habían predicho que, a alta presión, los electrones externos del sodio se moverían aún más libremente entre los átomos.

La primera señal de que las cosas eran diferentes provino de las predicciones de finales de los años noventa, cuando los científicos utilizaban simulaciones computacionales para modelar sólidos, basándose en las reglas de la teoría cuántica. Estas reglas definen los niveles de energía que pueden tener los electrones y, por lo tanto, el rango probable de posiciones en las que se encuentran en los átomos (sus orbitales atómicos).

La simulación del sodio sólido mostró que, a altas presiones, a medida que los átomos de sodio se comprimen y se acercan entre sí, también lo hacen los electrones que orbitan alrededor de cada átomo. Esto hace que experimenten fuerzas repulsivas cada vez mayores entre sí. Esto cambia las energías relativas de cada electrón que orbita alrededor del núcleo de cada átomo, explica Racioppi —lo que conduce a una reorganización de las posiciones de los electrones—.

¿El resultado? En lugar de ocupar orbitales que les permiten deslocalizarse y moverse entre los átomos, los orbitales adoptan una nueva forma que obliga a los electrones a desplazarse a los sitios atractores no nucleares. Dado que los electrones quedan atrapados en estos sitios, el sólido pierde sus propiedades metálicas.

Además de este trabajo teórico, Racioppi y Zurek colaboraron con investigadores de la Universidad de Edimburgo para encontrar pruebas experimentales de la existencia de un electruro de sodio a presiones extremas. Comprimieron cristales de sodio entre dos diamantes y utilizaron la difracción de rayos X para cartografiar la densidad electrónica en la estructura metálica. Esto, según informaron en septiembre de 2025, confirmó que los electrones se encontraban realmente en los sitios atractores no nucleares previstos entre los átomos de sodio.

Ideal para catalizadores

Los electruros son candidatos ideales para catalizadores —sustancias que pueden acelerar y reducir la energía necesaria para las reacciones químicas—. Esto se debe a que los electrones aislados en los sitios atractores no nucleares pueden donarse para crear y romper enlaces. Pero para que sean útiles, tendrían que funcionar en condiciones ambientales.

En los últimos 10 años se han descubierto varios electruros estables de este tipo, fabricados a partir de compuestos inorgánicos o moléculas orgánicas que contienen átomos metálicos. Uno de los más significativos, la mayenita, fue descubierto por sorpresa en 2003, cuando el científico de materiales Hideo Hosono, del Instituto de Ciencia de Tokio, investigaba un tipo de cemento.

La mayenita es un óxido de aluminato de calcio que forma cristales con poros muy pequeños —de unos pocos nanómetros de diámetro— llamados jaulas, que contienen iones de oxígeno. Si se hace pasar vapor metálico de calcio o titanio a alta temperatura, se elimina el oxígeno y solo quedan electrones atrapados en estos sitios: un electruro.

A diferencia de los electruros metálicos de alta presión, que pasan de ser conductores a aislantes, la mayenita comienza como aislante. Pero ahora sus electrones atrapados pueden saltar entre los sitios de las jaulas (a través de un proceso llamado túnel cuántico) —lo que la convierte en conductora, aunque entre 100 y 1.000 veces menos conductora que un metal como el aluminio o la plata—. También se convierte en un excelente catalizador, capaz de ceder electrones para ayudar a crear y romper enlaces en las reacciones.

En 2011, Hosono comenzó a desarrollar la mayenita como un catalizador más ecológico y eficiente para sintetizar amoníaco. Más de 170 millones de toneladas métricas de amoníaco, principalmente para fertilizantes, se producen anualmente mediante el proceso Haber-Bosch, en el que los óxidos metálicos facilitan la reacción entre el hidrógeno y el nitrógeno a alta presión y temperatura. Se trata de un proceso costoso y que consume mucha energía —las plantas Haber-Bosch representan alrededor del 2 % del consumo energético mundial—.

En Haber-Bosch, los catalizadores unen los dos gases a sus superficies y donan electrones para ayudar a romper el fuerte triple enlace que mantiene unidos los dos átomos de nitrógeno en el gas nitrógeno, así como los enlaces en el gas hidrógeno. Debido a que la mayenita tiene una fuerte naturaleza donante de electrones, Hosono pensó que la mayenita podría hacerlo mejor.

En la reacción de Hosono, la mayenita en sí misma no une los gases, sino que actúa como lecho de soporte para las nanopartículas de un metal llamado rutenio. En primer lugar, las nanopartículas absorben los gases nitrógeno e hidrógeno. A continuación, la mayenita dona electrones al rutenio. Estos electrones fluyen hacia las moléculas de nitrógeno e hidrógeno, lo que facilita la ruptura de sus enlaces. De este modo, el amoníaco se forma a una temperatura más baja —entre 300 y 400 °C— y a una presión más baja —entre 50 y 80 atmósferas— que con el proceso Haber-Bosch, que se lleva a cabo a entre 400 y 500 °C y entre 100 y 400 atmósferas.

En 2017 se creó la empresa Tsubame BHB para comercializar el catalizador de Hosono, y en 2019 se inauguró la primera planta piloto, con una producción de 20 toneladas métricas de amoníaco al año. Desde entonces, la empresa ha abierto una instalación más grande en Japón y está construyendo una planta de amoníaco verde de 20.000 toneladas al año en Brasil para sustituir parte de la producción de fertilizantes a base de combustibles fósiles del país. La empresa estima que esto evitará 11.000 toneladas de emisiones de CO_₂ al año, lo que equivale aproximadamente a las emisiones anuales de 2.400 automóviles.

Según Hosono, existen otras aplicaciones para el catalizador de mayenita, entre ellas la conversión con menor consumo energético del CO₂ en sustancias químicas útiles como el metano, el metanol o hidrocarburos de cadena más larga. Otros científicos han sugerido que la estructura en jaula de la mayenita también la hace adecuada para inmovilizar residuos de isótopos radiactivos en centrales nucleares: los electrones podrían capturar iones negativos como el yodo y el bromuro y atraparlos en las jaulas.

La mayenita incluso se ha estudiado como sistema de propulsión a baja temperatura para satélites en el espacio. Cuando se calienta a 600 °C en vacío, los electrones atrapados salen disparados de las jaulas, lo que provoca la propulsión.

Electruros orgánicos

La lista de materiales conocidos por formar electruros sigue creciendo. En 2024, un equipo dirigido por el químico Fabrizio Ortu de la Universidad de Leicester en el Reino Unido descubrió accidentalmente otro electruro estable a temperatura ambiente formado por iones de calcio rodeados de grandes moléculas orgánicas, conocidos en conjunto como complejo de coordinación.

Estaba utilizando un método conocido como química mecánica: “Se pone algo en un frasco de molienda, se agita con fuerza y eso proporciona la energía para la reacción”, explica. Pero, para su sorpresa, los electrones del potasio que había añadido a su complejo de calcio no se donaron al ion de calcio. En cambio, lo que se formó “tenía estos electrones que flotaban en el sistema”, dice, atrapados en sitios entre los dos metales.

A diferencia de la mayenita, este electruro no es un conductor —sus electrones atrapados no saltan—. Pero permiten facilitar reacciones que de otro modo serían difíciles de iniciar, activando enlaces no reactivos, realizando una función muy similar a la de un catalizador. Se trata de reacciones que actualmente dependen de costosos catalizadores de paladio.

Los científicos utilizaron con éxito el electruro en una reacción que une dos anillos de piridina —anillos de carbono que contienen un átomo de nitrógeno—. Ahora están examinando si el electruro podría ayudar en otras reacciones orgánicas comunes, como la sustitución de un átomo de hidrógeno en un anillo de benceno. Estas sustituciones son difíciles porque el enlace entre el carbono del anillo de benceno y el hidrógeno unido a él es muy estable.

Aún quedan problemas por resolver: el electruro de calcio de Ortu es demasiado sensible al aire y al agua para su uso en la industria. Ahora está buscando una alternativa más estable, que podría resultar especialmente útil en la industria farmacéutica para sintetizar moléculas de medicamentos, donde son habituales el tipo de reacciones que Ortu ha demostrado.

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Aún quedan preguntas sin respuesta

Quedan muchos misterios sin resolver sobre los electruros, entre ellos si el núcleo interno de la Tierra contiene definitivamente uno. Kim y sus colaboradores utilizaron simulaciones de la red cristalina del hierro para encontrar pruebas de la existencia de sitios de atracción no nucleares, pero su interpretación de los resultados sigue siendo “un poco controvertida”, afirma Racioppi.

El sodio y otros metales del grupo 1 y del grupo 2 de la tabla periódica de los elementos, como el litio, el calcio y el magnesio, tienen electrones externos débilmente enlazados. Esto facilita que los electrones se desplacen a sitios atractores no nucleares, formando electruros. Sin embargo, el hierro ejerce una mayor fuerza de atracción sobre sus electrones externos, que se encuentran en orbitales de formas diferentes. Esto hace que el aumento de la repulsión de los electrones bajo presión sea menos significativo y, por lo tanto, dificulte el desplazamiento hacia la formación de electruros, afirma Racioppi.

Los electruros aún son poco conocidos y poco estudiados, afirma el científico computacional de materiales Lee Burton, de la Universidad de Tel Aviv. Todavía no existe ninguna teoría o modelo que permita predecir cuándo un material se convertirá en uno. “Dado que los electruros no son típicos desde el punto de vista químico, no se puede aplicar la intuición química”, afirma.

Burton ha estado buscando reglas que puedan ayudar a realizar predicciones y ha tenido cierto éxito en la búsqueda de electruros a partir de un cribado de 40.000 materiales conocidos. Ahora está utilizando una inteligencia artificial para encontrar más. “Se trata de una compleja interacción entre diferentes propiedades que, en ocasiones, pueden depender unas de otras”, afirma. “Aquí es donde el aprendizaje automático puede ser realmente útil”.

La clave es disponer de datos fiables para entrenar cualquier modelo. El equipo de Burton solo tiene datos reales de las pocas estructuras de electruros confirmadas experimentalmente hasta ahora, pero también está utilizando el tipo de modelización basada en la teoría cuántica que llevó a cabo Racioppi para crear simulaciones de alta resolución de la densidad de electrones dentro de los materiales. Lo están haciendo con tantos materiales como pueden; los que se confirmen mediante experimentos en el mundo real se utilizarán para entrenar un modelo de IA que identifique más materiales que puedan ser electruros —es decir, aquellos con bolsillos discretos de alta densidad electrónica característicos de los sitios de electrones atrapados—. “El potencial”, afirma Burton, “es enorme”.

Artículo traducido por Debbie Ponchner