2025ean 50 urte betetzen ditu UPV/EHUko Kimika Fakultateak. Urteurrenak badu zer ospatu eta, hori dela eta, programa zabala prestatu da. Besteak beste, hainbat ikerketa, transferentzia eta dibulgazio jarduera izango dira urtean zehar. Horien artean, “12 hilabete – 12 gai” ekimena dago. Iniziatiba honek Kimika Fakultatean egiten dena gizarteari erakustea du helburu. Horretarako, adibidez, kimika-gaiak hizpide dituzten artikuluak publikatuko dira hilero Kultura Zientifikoko Katedraren blogetan, fakultateko irakasle eta ikertzaileak idazle bihurtuz.
Inoiz galdetu al diezue zeuen buruei zergatik gidatzen duen kobreak korronte elektrikoa eta zergatik ez beirak? Zergatik da diamantea hain gogorra eta arkatzen grafitoa hain biguna, biak karbonoz osatuak egon arren? Erantzuna ez dago ez dago begi-bistan.
Pentsa dezagun DNAn. DNAren base nitrogenatuen ordena espezifikoak izaki bizidun bakoitzaren berezitasunak kodifikatzen ditu. Gure kode genetikoak, adibidez, gure begien kolorea zehazten du. Era berean, material bakoitzak bere elektroien barne-banaketa berezi bat du, “energia-banda” izenez ezagutzen dena. Energia-bandak elektroi horien portaera zehazten du, eta ezaugarri garrantzitsuak baldintzatzen ditu, hala nola korrontea gidatzeko edo imantatzeko gaitasuna, erreaktibotasun kimikoa edo, jarraian ikusiko dugun bezala, kolorea.
Irudika dezagun material bat eskailera erraldoi bat bezala, non maila bakoitza bere elektroien energia-mailei dagokien. Hemen funtsezkoa da fisika kuantikoaren eragina. Badakigu elektroiak fermioi izeneko partikula motakoak direla. Wolfgang Pauli fisikariak “esklusio-printzipioa” ezarri zuen haientzat, eta haren arabera, sistema bereko bi fermioi ezin dira energia-egoera berean egon. Bestalde, fisika klasikoa ere behar dugu. Elektroiek karga elektrostatikoa dute, eta, beraz, Coulomben legeari lotuta daude. Lege horren arabera, kontrako zeinua duten kargak erakarri egiten dira, eta zeinu bera dutenek, berriz, elkar aldaratzen dute. Elektroiek, karga negatiboa dutelako, atomoen nukleoek erakartzen dituzte (karga positibokoak baitira) eta, aldi berean, elkar aldaratzen dute materialean dauden gainerako elektroiak. Arau horien guztien elkar-eraginak baturik, lortzen dugun emaitza da elektroiak ezin direla egon materialaren edozein energia-mailatan: maila batzuk debekatuta dituzte.
Hala, material bakoitzaren banda elektronikoen egitura haren “DNA” edo nortasun-ikurra da, baimendutako eta debekatutako energia-mailen konbinazio espezifiko batez osatua, eta haren propietate nagusiak zehaztuko ditu. Adibidez, konbinazio zehatz horrek espezifikatzen du material batek ondo gidatuko ote duen elektrizitatea, eroaleek bezala; korronte elektrikoa jariatzen utziko ez duen, isolatzaileek bezala… edo erresistentziarik eta energia-galerarik gabe eroango ote duen, supereroaleen kasuan bezala.
Mekanika kuantikoaren legeen aplikazioak aukera ematen digu haratago joateko eta iragartzeko nola erantzungo duen material batek kanpoko estimulu baten aplikazioaren aurrean, hala nola presio mekaniko bat, eremu magnetiko bat edo argia bezalako zerbait. Erdieroale eta isolatzaileetan, uhin-luzera jakin batetik argia xurgatzean, elektroiak “kitzikatu” egiten dira, eta horrek esan nahi du energia handiagoko maila hutsetara jauzi egin dezaketela. Prozesu mota honek materiala zer kolorerekin ikusten dugun zehazten du. Era berean, kontrako prozesua ere gerta daiteke, elektroiak “des-kitzikatu” egingo dituena. Haren bidez, materialak uhin-luzera jakin bateko argia igortzen du, jaitsitako mailen arabera. Egunero erabiltzen ditugun gailu askotan dagoen LED teknologiak fenomeno hori baliatzen du argia igortzeko.
Laborategi batean esperimentalki neur dezakegu materialen banden egitura, elektroiak askotariko argi-iturriekin kitzikatzearen emaitzaren behaketatik abiatuta, bereziki X izpien eta argi ultra-morearen (UV) bidez. Baina gure “materialaren erradiografia” egitean benetan zehatzak izan nahi badugu, sinkrotroi-erradiaziotik datorren argia erabili behar dugu, eta horrelakoa instalazio berezietan baino ez dago eskuragarri. Horien artean ALBA sinkrotroia nabarmentzen da, Bartzelonako probintzian kokatua.
“Ab initio” teorietan oinarritutako simulazio-softwarea erabiliz ere kalkula dezakegu banda-egitura. Simulazio horiek materialeko elektroien portaera erreproduzitzen dute, aurretik deskribatutako bi oinarri fisikoetatik (mekanika kuantikoa eta Coulomben legea) abiatuta formulatutako ekuazio matematikoen bidez. Kalkulu oso konplexuak dira, eta batzuetan superordenagailuak erabili behar izaten dira.
Azkenik, fisikari esperimental eta teorikook lankidetza estua dugu, gure aurkikuntzak konbinatzeko eta, horrela, materialaren banden egitura deskodetzeko. Ikerketa horiei esker, nahi ditugun propietate espezifikoak dituzten materialak diseinatu eta fabrikatu ditzakegu.
Egileez:
Maider Ormaza eta Maria Blanco, Kimika Fakultateko irakasle-ikertzaileak dira.