Los fulerenos, una maravillosa forma del carbono

El carbono, pilar esencial de la química orgánica

El carbono forma 0.2 por ciento de la corteza terrestre y es uno de los elementos químicos más esenciales para la vida en nuestro planeta, puesto que es parte de todos y cada uno de los seres vivos conocidos. Hoy en día se conocen cerca de dieciseis millones de compuestos que poseen carbono 60, y este número aumenta en unos quinientos mil compuestos al año. Por si no fuera suficiente con lo anterior, muestra una enorme utilidad en lo que se refiere a su diversidad de formas (alótropos). Hasta el instante se han descubierto 6 formas alotrópicas para dicho elemento, que incluyen, sorprendentemente, una de las substancias más blandas y asequibles, el grafito, y una de las más duras y caras, el diamante, que es la manera más cristalina y pura del carbono.

Estas formas alotrópicas del carbono –y por lo general de cualquier elemento– son el resultado de la manera en que los átomos se hallan enlazados y distribuidos entre sí; por poner un ejemplo, en el grafito (Figura 1a), los átomos de carbono c60 se hallan unidos unos con otros por medio de links llamados dobles, formando anillos exagonales que intercalan un link fácil con uno doble, que por su parte se unen con otros anillos hasta formar láminas lisas. El apilamiento, una sobre la otra, de múltiples de estas láminas llanas hacen que sean de forma fácil deslizables y den sitio a la estructura del grafito, lo que explica la razón de que sea una substancia tan blanda y frágil. Por contra, en el caso del diamante los átomos de carbono se hallan enlazados tetrahédricamente mediante links fáciles, dando sitio a una estructura tridimensional cuya unidad mínima se llama adamantano (Figura 1b). Esta red tridimensional es la que le da al diamante su rigidez y dureza habituales.

Hasta los años ochenta únicamente se conocían estas 2 formas alotrópicas del carbono elemental; no obstante, a mediados de esa década el carbono de nuevo penetró de forma fuerte en el planeta científico con el descubrimiento de una forma nueva alotrópica, que despertó el interés de los científicos no solo por su belleza estructural, sino más bien asimismo por sus interesantes aplicaciones. A esta nueva forma alotrópica del carbono se le llamó fulereno.

Los fulerenos hoy día se han hecho muy populares entre los químicos debido a su utilidad en la preparación de nuevos compuestos y por las formas antojadizas que adoptan sus estructuras, que pueden ser esferas, elipsoides o bien tubos. De este modo, los fulerenos esféricos reciben con frecuencia el nombre de buckyesferas, y los cilíndricos el de buckytubos o bien nanotubos. Mas, ¿de qué forma fue descubierta esta nueva forma alotrópica del carbono? El descubrimiento de los fulerenos fue el producto de una pura casualidad de la ciencia. En los años ochenta, el maestro Harold W. Kroto, de la universidad de Sussex, trabajaba en la síntesis de compuestos de cadenas largas de carbono cuyas terminales eran hidrógeno por un extremo y ázoe por el otro; esta clase de compuestos fue detectado en las nubes de gas de la Vía Láctea y en ciertas estrellas.

La serendipia al servicio de la ciencia

El maestro Kroto persuadió a su colega Richard Smalley de simular en el laboratorio las condiciones encontradas en las estrellas gigantes rojas, y fue como desde el hollín generado de la vaporización de grafito por un láser y el enfriamiento del vapor generado usando helio, observaron que se generaban grandes cúmulos de carbono.

El análisis de esta mezcla a través de un espectrómetro de masas (equipo que deja conocer la masa de los compuestos presentes) señaló la presencia de múltiples picos de masa que se concentraban en su mayor parte en un pico con una masa de 720 unidades de masa atómica (uma).

Puesto que los únicos elementos presentes eran el helio y el carbono, y puesto que el helio es un gas inerte, la conclusión fue que estas moléculas estaban compuestas solamente por átomos de carbono; por el peso molecular logrado debían corresponder a una estructura formada por sesenta átomos de carbono (C60). Puesto que el pico de 720 uma del fantasma producido por el espectrómetro de masa era realmente fuerte, implicaba que era excepcionalmente estable, y que dicha estabilidad era reflejo de su estructura.

Tras múltiples días de discusión y cuando otras pruebas experimentales comprobaron la existencia de moléculas de C60, Smalley trabajó toda la noche en su casa tratando de producir por computadora la estructura de esa molécula de C60. “Era medianoche –escribió Smalley–, mas en lugar de irme a la cama fui a la cocina por una cerveza”. Mientras que Smalley tomaba su cerveza, recordó que la estructura de la bóveda geodésica de la Exposición Mundial de mil novecientos sesenta y siete estaba construida a través de pentágonos y exágonos. “Regresé corriendo a mi escritorio y corté un pentágono desde una hoja de papel y empecé a pegar exágonos a su alrededor. Ahora ningún truco era requerido: los exágonos aceptaban de manera automática la manera de un balón”. De hecho, el modelo que planteó en papel parecía un balón de futbol y, sorprendentemente, esta estructura resultó ser la adecuada.

De esta forma, en honor al arquitecto técnico Buckminster Fuller, quien diseñó la conocida bóveda geodésica, Smalley y Kroto llamaron buckminsterfulereno al fulereno C60. En mil novecientos noventa y seis, Harold Kroto, Richard Y también. Smalley y Robert F. Curl recibieron el premio Nobel de química por este gran descubrimiento (Figura dos).

El principio es una consecuencia del teorema de Euler, el que afirma que para cerrar cualquier red esférica constituida por n exágonos se requieren 12 pentágonos, con salvedad de n = 1. Con base en esta teoría, podríamos establecer que el fulereno más pequeño es el C20, compuesto únicamente por 12 pentágonos y ningún hexágono; sin embargo, el fulereno más pequeño y al unísono más rebosante que se ha apartado y logrado a través de los métodos frecuentes de preparación es el buckminsterfulereno C60, ese que tiene la manera de un balón de futbol soccer. El análogo siguiente más estable es el C70, seguido por otros fulerenos mayores, como C76, C78, C80, C82, C84, C90, C94, C96 y C100, si bien se conocen fulerenos tan grandes como el C540 (Figura tres).

El fulereno C60 , el más rebosante en la Tierra y en el espacio

Debido a que el C60 es el más rebosante, es que asimismo ha sido el más estudiado y usado para distintas aplicaciones. No obstante, hasta hace poco tiempo la cantidad de C60 que podía ser producida de forma pura era pequeñísima, con lo que sus aplicaciones fueron escasas. Este inconveniente fue solucionado merced a Donald Hoffman, de la universidad de Arizona, y a Wolfgang Kratschmer, de la universidad de Heidelberg, quienes descubrieron en mil novecientos noventa un procedimiento simple para fabricar cantidades apreciables de fulereno C60.

De esta manera, por medio de una técnica a través de la que se evaporaban electrodos de grafito en una atmosfera inerte de helio en condiciones de bajísima presión y elevada temperatura, se generaba un hollín que contenía hasta diez por ciento en masa de una mezcla de fulerenos. A este hollín se le dio el nombre de fulerita y en él se halló una estructura en forma de jaula que constaba de C70, la que, siguiendo con los símiles deportivos, asemejaba una pelota de futbol americano. Aunque a través de esta técnica se conseguían cantidades apreciables de fulereno C60, su costo fluctuaba cerca de los uno con doscientos cincuenta dólares estadounidenses por gramo, esto es, ¡prácticamente 12 veces más costoso que un gramo de oro! No obstante, merced al avance en las metodologías de obtención y purificación de fulerenos, su costo ha disminuido enormemente desde ese momento, y el día de hoy cuesta unos cuarenta dólares estadounidenses por gramo, lo que lo hace hasta un punto alcanzable para su estudio y el desarrollo de aplicaciones en la vida rutinaria. Últimamente, con la ayuda del telescopio espacial Spitzer, en el mes de julio del dos mil diez la NASA anunció el descubrimiento de fulerenos en el espacio y, a la inversa de lo que pasa en la Tierra, según parece este alótropo del carbono se halla en enormes cantidades en las nebulosas y estrellas, e inclusive se han encontrado moléculas de C60 en ciertos meteoritos.