Nanotecnología del carbono: Las pelotas del señor Fuller

La Bioesfera del arquitecto Fuller en Montreal, a la que deben su nombre los fullerenos.

Richard Buckminster Fuller es un arquitecto americano famoso por diseñar cúpulas geodésicas basadas en pentágonos y hexágonos. Su obra más famosa es el pabellón norteamericano en la Exposición Universal de 1967 en Montreal (hoy conocido como Bioesfera). Pero un ejemplo de este tipo de cúpulas lo podemos ver en cualquier planetario que tengamos cercano.

Pero si realmente lo conoces será por dar nombre a una molécula llamada Buckminsterfullereno. Una molécula esférica compuesta por 60 átomos de carbono con alternancia de anillos de 5 y 6 átomos, justo como los pentágonos y hexágonos de una pelota de fútbol. La molécula se descubrió en 1987 en el espacio (en la atmósfera de las estrellas gigantes rojas más concretamente) y, a pesar de su tardío descubrimiento, es una de las formas más abundantes de carbono y es de lo más popular entre los científicos por su belleza estructural y versatilidad. También se la conoce por su fórmula química: C₆₀.

Nanobalones en el espacio.

Para que nos hagamos una idea de cómo de pequeña es esta molécula podemos imaginarnos que la misma relación de tamaño hay entre la Tierra y un balón de fútbol que entre el balón y el fullereno (unas 100 millones de veces más pequeño uno que el otro). ¡Una pelota del señor Fuller tiene un diámetro de menos de un nanómetro!.

Hoy en dia se conocen muchas moléculas cerradas sobre si mismas, diferencíandose entre ellas en el número total de átomos. Al conjunto de distintas moléculas cerradas sobre si mismas con formulación Cn se le denomina «fullerenos», un nombre poco manejable que es un tributo al señor Fuller y sus cúpulas geodésicas.

La Buckybola es como un balón de fútbol pero 100 millones de veces más pequeñajo.

Aunque la síntesis controlada de fullerenos requiere complicadas técnicas, tales como la vaporización del grafito (el de la mina de tu lápiz) o la pirólisis láser (que consiste en calentar sustancias con una láser muy potente para formar otras sustancias), la formación sin más de este tipo de estructuras se produce más fácilmente de lo que podemos imaginar, pues son los principales integrantes de la carbonilla (el hollín) y se generan abundantemente en cualquier combustión. ¡Piensa en ello cada vez que se te queme algo!

Los fullerenos no son muy reactivos debido a la estabilidad de los enlaces tipo grafito (cada átomo de carbono está unido a otros tres mediante enlaces covalentes, quedándole un electrón libre que se mueve con cierta facilidad), y son también muy poco solubles en la mayoría de los disolventes. Entre los disolventes comunes para los fullerenos se incluye el tolueno y el disulfuro de carbono. ¡Los fullerenos son la única forma del carbono que puede ser disuelta! Desde un punto de vista de la nanotecnología, las propiedades físicas que más se han estudiado de los fullerenos son su resistencia térmica y su superconductividad.

¡Esto no es un columpio! Pelota de Fuller a la entrada del Pabellón del Conocimiento de Lisboa

Las aplicaciones de los fullerenos van desde la electrónica molecular, donde poseen propiedades interesantes como rectificadores, hasta la biomedicina, donde aprovechando que son huecos se han encerrado en su interior átomos de gadolinio que gracias a sus propiedades magnéticas aumenta la señal en los estudios de resonancia magnética utilizados en la detección de cancer. A pesar de que estas aplicaciones parecen muy prometedoras, con la última de ellas, por ejemplo, tenemos un problema de reciclado molecular. Hoy en día se sabe cómo encerrar átomos dentro de los fullerenos y cómo dirigirlos hacia un punto concreto del organismo donde desempeñarán su labor reparadora. Sin embargo, una vez el fullereno ha liberado su carga aparece un problema ¿cómo deshacernos de la molécula transportadora, es decir, del envase?

Obra del artista Leo Villareal en la Galería Nacional de Arte de Washington DC.

Pero es que Harold Kroto, premio Nóbel de Química en 1996 por el descubrimiento de las pelotas del señor Fuller, sigue en activo y nos ha sorprendido a toda la comunidad científica con su última publicación en la revista Nature Communications. En ella describen el descubrimiento de que fullerenos se auto-ensamblan a través de un mecanismo de crecimiento de la red cerrada, es decir, el truco de la formación de las Buckybolas estaba en su crecimiento mediante la incorporación o absorción de átomos de carbono y moléculas de carbono diatómicas del gas que las rodea. Hacer este descubrimiento no fue sencillo, requirió mucho ingenio y un poco de suerte, ya que la formación de fullereno sucede en un instante. «Empezamos con unas pocas moléculas de fullereno mezcladas con carbono y helio, les disparamos con un láser muy potente y, en vez de destruir los fullerenos, nos sorprendimos al encontrar que en realidad habían crecido,» declaran los autores del estudio.

Emilio Castro

#PreguntaHdC

¿Cúantos átomos de carbono tendría el fullereno más pequeño? (Deja la respuesta en los comentarios o por twitter y la responderemos mañana viernes)

#RespuestaHdC

El fullereno más pequeño: 20 carbonos,.

La más pequeña de todas estas nanoestructuras de carbono tiene 20 átomos, arreglados en 12 pentágonos, sin hexágonos.

Referencia

P.W. Dunk, N.K. Kaiser, C.L. Hendrickson, J.P. Quinn, C.P. Ewels, Y. Nakanishi, Y. Sasaki, H. Shinohara, A.G. Marshall y H.W. Kroto (2012). «Closed network growth of fullerenes«. Nature Communications, 3, 855. 

Bibliografía

•  J.A. Martín Gago, coordinador. Unidad Didáctica de Nanociencia y nanotecnología. Entre la ciencia ficción del presente y la tecnología del futuro. Fundación Española para la Ciencia y la Tecnología (FECYT), Madrid, 2010.
• P. Atkins. Las moléculas de Atkins. Akal, Madrid, 2007.
• N. Takeuchi. Nanociencia y Nanotecnología. La construcción de un mundo mejor átomo a átomo. Colección la ciencia para todos. Fundación de Cultura Económica, Méxido D.F., 2009.
• T. de los Arcos. La era del camaleón. Los desafios de la nanotecnología del carbono. Editorial Síntesis, Madrid, 2008.

 Listado de fuentes

• Bioesfera. Créditos: Wikipedia Commons.
• Nanobalones en el espacio.
• Buckybola con LEDs. Créditos: Leo Villareal. 

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