Un camaleón en la tabla

El elemento de este artículo está constituido sencillamente por seis protones, seis neutrones y seis electrones; sin embargo a partir de él se logra obtener una cantidad enorme de moléculas. Puede ser muy duro o muy blando; su apariencia externa se muestra negra y opaca en ocasiones, pero también puede ser incoloro y transparente. Es el más barato y común, no te fíes, también es el más caro. Se sabe de él desde hace miles de años, pero puede constituirse en el material más moderno, innovador y con mayor potencial de los actualmente conocidos. Por si fuera poco es el elemento fundamental en todos los seres vivos, y también se encuentra presente en moléculas de la atmósfera y de las bebidas gaseosas. ¿Quién es este camaleónico elemento? ¿Adivinaste? Se trata del carbono y sus multifacéticas personalidades.

El carbono se origina en las estrellas que cumplen la mayoría de edad y que han acumulado helio en su núcleo. El proceso físico ocurre mediante reacciones de fusión nuclear, en un fenómeno conocido como triple alfa, en donde dos núcleos de helio (partículas alfa) se unen para formar berilio y rayos gamma. El berilio obtenido reacciona inmediatamente con un nuevo núcleo de helio para generar carbono y más rayos gamma. En nuestro planeta el carbono es muy común, sin embargo es sorprendente su enorme versatilidad, ya sea en estructura o propiedades, que se genera debido al “simple” hecho de alterar la orientación de sus átomos en el espacio. La importancia fundamental del carbono se debe a que forma millones de moléculas denominadas orgánicas y, al menos por el momento, son la única base química para la vida. No hemos encontrado una sola forma de vida que no esté formada por compuestos del carbono. Existen teorías que predicen que es posible la vida basada en otros elementos “fácilmente adaptables”, pero hasta ahora no se ha encontrado ninguna. Por otro lado, la única vida que conocemos está en la Tierra, la cual tiene muchísimo carbono. Las posibilidades de encontrar en el Universo otros planetas con alto contenido de carbono están latentes, así que es probable que en un futuro el panorama cambie. Así y todo, aún nos sorprende que la química de éste solo elemento sea lo suficientemente amplia y variada como para constituir la base sobre la cual se ha desarrollado la multiplicidad de formas de vida que contiene nuestro planeta. 

Robots. Imagen de la película, ‘Yo, Robot’. (20th CENTURY FOX)

La forma más frecuente de carbono es el denominado carbón, que es una forma amorfa (es decir, los átomos están unidos en forma desordenada) del carbono. Esta forma es la que se encuentra en el hollín, en el carbón mineral y vegetal, y en la ceniza de la madera entre otros. El carbón es muy fácil de sintetizar bajo condiciones normales en el planeta y, por lo tanto, es uno de los materiales que se conocen desde hace muchísimo tiempo. Por su abundancia, esta forma es la que se ha usado como combustible desde la prehistoria. Hoy en día el carbón provee aproximadamente el 25% de las necesidades de energía primaria del mundo. Las reservas estimadas de carbón son más del doble de las del petróleo y casi el triple de las del gas natural.

Para hablar del siguiente material debemos adentrarnos en el mundo de la ficción. El adamantium o adamantio es un término que proviene del griego adamas, «indomable», que genera la voz latina adamantinus, «duro como el acero». El término hace referencia a un tipo de material mítico de extrema dureza, y a la vez biocompatible. Por su dureza se asocia con el muy real diamante. Varias fuentes utilizan el vocablo para denotar objetos especialmente resistentes y se refieren al adamantio como lo único capaz de herir o sujetar a los dioses. Dos de los casos más reconocidos son las cadenas con las que Loki, el ser mitológico maestro del engaño en la mitología nórdica (y medio hermano de Thor en Marvel Comics), está atado al inframundo, y el esqueleto que hace indestructible a Wolverine (Lobezno). El material que realmente sí existe es el diamante que, al igual que el carbón y el grafito, solo está constituido por átomos de carbono. El secreto de su dureza está en la disposición geométrica del tipo tetraédrica, una de las más estables en la naturaleza, y al número de electrones que se comparten en dicha estructura conformada por multitud de enlaces covalentes. Cuando los átomos de carbono se acomodan en este arreglo cristalino, dan lugar a uno de los materiales más costosos que se conocen, todo debido a su belleza, y muy especialmente a su rareza. Las condiciones necesarias para obtener diamantes bajo la corteza terrestre son realmente extremas. Se forman sólo si existen presiones de unas 50.000 veces la presión atmosférica y temperaturas del orden de 1.000 ºC.

La segunda forma más frecuente del carbono es el grafito, en la que los átomos de carbono forman láminas (con cada carbono enlazado a otros dos formando hexágonos regulares), que se asocian unas a otras mediante fuerzas de van der Waals. Esta forma de asociación atómica hace que el grafito sea suave y resbaladizo, lo que permite su aplicación como lubricante sólido. Las láminas que conforman al grafito, muy cercanas entre sí, no dejan pasar los rayos de luz motivo por lo cual el grafito es negro y opaco. Con todo, debido al movimiento laminar el grafito permite el paso de la corriente eléctrica, lo cual la estructura firmemente compacta del diamante no admite. Esta es una prueba muy usada por los joyeros para saber si un cristal es o no un diamante. Además si el grafito se frota contra una superficie las débiles fuerzas de van der Waals se rompen y como resultado las finas laminas hexagonales se “pelan” y se deslizan unas sobre otras, quedando pegadas al material sobre el que se frotan. Esto hace que el grafito pinte, es decir que sirva para escribir, una vez que lo colocamos en el interior de un lápiz y lo presionamos sobre un papel. Finalmente, si el grafito se moldea en barras de gran espesor puede ser usado como moderador nuclear. Las barras de grafito cumplen con la función de frenar la velocidad de los neutrones producidos por la fisión, de tal manera que pueden interactuar con otros átomos fisionables y mantener controlada la reacción. ¡Ah, casi lo olvido! el grafito es omnipresente en la mayoría de nuestras construcciones, pues es parte fundamental en la obtención del acero, que se constituye en una aleación de hierro con una cantidad de carbono variable (0,1% a 1,8%) en su composición.

Sin embargo no todo está dicho para nuestro admirado carbono. Hace ya casi 30 años, a mediados de los 80s, se descubrió una nueva forma de carbono elemental que consiste en una agrupación de 60 átomos de carbono en una disposición bastante espectacular: ¡Una esfera perfecta! La molécula tiene 20 hexágonos y 12 pentágonos, carece de bordes y es la más esférica conocida. Su forma es exactamente la de un balón de futbol. La radical forma se nombró como “buckminsterfullereno” en reminiscencia a la forma geodésica inventada por el ingeniero estadounidense R. Buckminster Fuller. Desde el descubrimiento del C60, se han encontrado otras estructuras relacionadas, que contienen más o menos átomos de carbono, todas ellas conocidas simplemente como fullerenos. Por su trabajo pionero acerca de los fullerenos, los profesores Robert Curl, Richard Smalley y Harold Kroto fueron galardonados con el Premio Nobel de Química en 1996. En el año 2000 se detectó por vez primera el fullereno más pequeño posible, el C20. Se sabe que esta pequeña estructura es mucho más reactiva que los fullerenos más pesados; adicionalmente en julio de 2010 la NASA, con su telescopio espacial Spitzer, confirmó la presencia de C70 en el espacio. Estos descubrimientos han abierto una nueva rama de la Química que se relaciona directamente con la nanociencia, y su derivada la nanotecnología, que hoy se desarrolla activamente mediante el estudio de las características, propiedades y aplicaciones de una forma análoga a los fullerenos, denominada nanotubos de carbono, que no son más que fullerenos estirados longitudinalmente hasta formar tubos a los cuales se les han rebanado los extremos.

Por otro lado los fullerenos poseen atractivos y variados colores. El C60 en película delgada es de color mostaza y sus disoluciones en benceno son de un atractivo color magenta. Las películas delgadas del C70 son café-rojizo y sus disoluciones tienen un intenso color rojo vino.

Detección de C70 y probable existencia de grafeno en el espacio.

Sorprendentemente, en los últimos años se ha descubierto una estructura laminar plana conformada por hexágonos de carbono del espesor de un átomo. Esta estructura, llamada grafeno, sería la constituyente de los nanotubos de carbono de pared única (single Wall carbon nanotubes, SWCN, por sus siglas en ingles). Es decir los SWCN serían hojas de grafeno enrolladas sobre sí mismas. Aunque fue sintetizado por primera vez en 2004, el grafeno saltó a la fama en 2010 cuando sus descubridores, los investigadores de origen ruso Andre Geim y Konstantin Novoselov recibieron el Premio Nobel de Física. El grafeno es transparente, flexible, extraordinariamente resistente, impermeable y conduce la electricidad mejor que ningún otro material conocido. Esta versátil forma de carbono permitirá fabricar desde dispositivos electrónicos con pantallas flexibles, transparentes y sensibles al tacto, a baterías ultrarrápidas y potentes paneles solares, sin olvidar aplicaciones aeronáuticas, en medicina y otros sectores que se están investigando precisamente en estos momentos. Adicionalmente, el grafeno supone una base excelente para crear nuevos materiales a medida, algo así como materiales a la carta, ¡faltaba más!

De hecho, este material podría solucionar una de las grandes desventajas de los teléfonos inteligentes, cuyas baterías apenas duran un día. Los prototipos de baterías fabricadas con electrodos de grafeno son diez veces más duraderas que las que llevan los teléfonos que se venden en el mercado y se cargan en mucho menos tiempo (aproximadamente media hora). No obstante, la aplicación más cercana consiste en usar grafeno en lugar de silicio para fabricar transistores mucho más eficientes y rápidos, lo que podría aumentar la capacidad y la velocidad de nuestras computadoras. También se está trabajando intensamente en otros dispositivos de almacenamiento de energía como ultracondensadores para automóviles, trenes eléctricos y para mejorar el rendimiento de las líneas de distribución eléctrica en ciudades. Se predice que estos dispositivos puedan comercializarse entre cinco a diez años en el futuro. El grafeno también podrá usarse en la nueva generación de televisores, que estarán fabricados con materiales orgánicos, y que por tanto serán sostenibles con el medio ambiente: En cuanto a los paneles solares, el objetivo es conseguir células de un 42% de eficiencia, en contraste al 16% de las construidas actualmente. Los científicos estudian también las posibles aplicaciones en medicina, la fabricación de biosensores y la construcción de aparatos para detección de ADN. Se especula también con la posibilidad de producir implantes neuronales y regenerar tejidos nerviosos dañados.  

Carbono, tan común y tan espectacular a la vez, no dejas de impresionarnos. Nos permites plasmar nuestros pensamientos en papel, nos ayudas a impresionar a la pareja, eres un símbolo de estatus y de seguro tendrás gran presencia en la ciencia y tecnología del mañana. Carbono, ¡Eres un elemento con futuro!

Alexis Hidrobo P.

Este artículo participa en la XXV Edición del Carnaval de Química, que por esta oportunidad se aloja en el blog Moléculas a reacción. 

 
Notas: El elemento numero 119 no existe (todavía, de seguro que los de Dubná lo quieren obtener). La referencia al Adamantium como dicho elemento me pareció genial y la tomé prestada de este link, que pertenece al blog, que contiene muy buenas imágenes (sobre todo para quienes gustan de los super héroes) 

Para Saber más:

• Gran atlas de la Ciencia. Materia. National Geographic. Santiago de Chile. 2012.
• Revista Muy Interesante. Edición noviembre 2012.
• http://www.elmundo.es/elmundo/2012/04/13/nanotecnologia/1334331314.html
• http://eltamiz.com/2007/07/01/conoce-tus-elementos-el-carbono/
• Philip S. Bailey, Christina A. Bailey. Principios de Química Orgánica. Pearson Editores. México. 1998.
• Revista de divulgación científica de la UNAM. 
• http://www.comoves.unam.mx/assets/revista/174/grafeno_164.pdf

Alexis Hidrobo

Invierto mi tiempo en la enseñanza de Química en la Universidad San Francisco de Quito. Además me apasiona la divulgación científica y la ciencia ficción.