El enigma científico del color del oro

El oro es un metal raro. Es raro porque se encuentra libre en la naturaleza, no forma parte de la composición de las rocas como sí lo hacen otros metales que forman carbonatos, óxidos o sulfatos, es decir, forman rocas y minerales. Sin embargo el oro se puede encontrar en forma de pepitas en los depósitos aluviales. La palabra "raro" la usamos los químicos para referirnos a las cualidades singulares de un elemento químico, entre ellas su escasa reactividad, no tiende a reaccionar con nada, a unirse a nada. El oro es raro porque no se oxida, no pierde su color dorado con el paso del tiempo y no deja de brillar. También es raro porque es escaso; esa es la razón principal por la que el oro se atesora y por la que ha servido como patrón moneda.

Para los científicos, el color del oro y su escasa reactividad ha sido un enigma durante mucho tiempo. Es algo que no se resolvió hasta la aplicación de la teoría de la relatividad. Cuando se definen las propiedades generales de un metal, se dice que tienen brillo y color "metálico". Esta redundancia se basa en que cualquiera puede reconocer un material metálico por un brillo característico y un color propio. Ese color a veces se define como "plateado", entendiendo que todo el mundo conoce cómo es la plata. Y, siendo más precisos, se puede decir que los metales tienen "brillo metálico al corte", para indicar que muchos pueden estar oxidados en su superficie, lo que cambiaría su color, pero si se cortan, se ve su color real. Este brillo y color especiales, plateados, se deben a la gran facilidad para absorber y luego reemitir la luz que les llega, es decir, a su gran capacidad para reflejar la luz.

El color de las cosas se describe a través de cómo la luz interactúa con los electrones de los átomos. Se podría decir que la luz hace bailar a los electrones, y el resultado de ese baile es lo que se percibe como colores.

La disposición de los electrones en un átomo se puede leer en la tabla periódica de los elementos. En el grupo 11 están los metales cobre, plata y oro. El cobre tiene 29 protones y 29 electrones, la plata 47 protones y 47 electrones y el oro tiene 79 protones y 79 electrones. El núcleo de oro es muy gordo en comparación con otros metales. Y esto tiene una consecuencia, los electrones que bailan a su alrededor tienen velocidades promedio que son comparables a la de la velocidad de la luz en el vacío. Es decir, son partículas que se mueven a velocidades relativistas.

Los electrones en los átomos no pueden tener energías arbitrarias, sino que solo pueden tener niveles de energías fijos, como si fuesen escalones de una escalera. La separación entre escalones no es siempre la misma. Cada átomo tiene unos escalones y una distancia entre ellos propia del elemento al que pertenezca. El color del cobre, la plata o el oro es una ventana al mundo de los electrones y los núcleos.

La luz blanca está compuesta por ondas de todos los colores, con diferentes energías. Cada energía está asociada a un color, y también a un posible salto entre los escalones de la escalera energética de un átomo. Las energías que pueden hacer saltar a los electrones deben tener la energía justa, ni más, ni menos, como para cubrir el salto del escalón.

En el caso del oro, con un núcleo tan gordo, ocurre que los efectos relativistas hacen cambiar la distancias entre los escalones. Es decir, los escalones no están donde los químicos esperábamos. Pero al tener en cuenta la relatividad, el salto entre los escalones 5d y 6s del oro es más corto de lo que se pensaba, tan corto que la energía de la luz azul es suficiente para saltar de un escalón a otro. Como el oro se queda con la luz azul, la que se refleja, la que se percibe, es precisamente la luz del color complementario al azul, que está entre el naranja y el amarillo. Es decir, el oro refleja luz de color dorado.

La ciencia de materiales es la disciplina científica que estudia las propiedades de los materiales. Se suele considerar una especialidad de la química, sin embargo, la física también es fundamental para describir algunos fenómenos. Enigmas como el color del oro se han podido resolver con mayor precisión gracias a las conexiones entre disciplinas. Hoy en día sabemos que el color del oro también depende del tamaño de sus partículas. Si el oro es tan fino como un nanómetro puede ser de color rojo o morado. Es un fenómeno que se entiende gracias al descubrimiento de los puntos cuánticos, algo que fue reconocido con el premio Nobel de química de este año. Efectos cuánticos, efectos de acoplamiento, efectos relativistas… Y en última instancia, el color es una propiedad que llega a la mente a través de la biología de los ojos. Así que la ciencia del color debe ser considerada una ciencia interdisciplinar.