Fulerenoak: gaurko kimika, biharko apustua

Lurrazaleko elementuen ugaritasuna aztertuz gero, karbonoa ez dela elementu ugarienetarikoa ikus daiteke (batez beste, 320 g karbono dago tona lurrazal bakoitzeko). Litosferan beste elementu batzuekin konbinaturik, kararrietan eta petrolioan dago. Atmosferan eta itsasoko uretan, ordea, CO ₂ moduan dago. Oro har, karbonoa molekula organikoen oinarrizko elementua da. Bizitzarako beharrezkoak diren osagai gehientsuenen oinarria da karbonoa. Eguneroko bizitzan erabiltzen ditugun hainbat erregai (petroliotik ateratako gasolina eta butanoa) edota plastiko, karbonoz osaturik daude hein handi batean. Laburbilduz, naturan karbonoa, beste elementuekin elkartu eta nahastu gabe, hiru modu nagusitan aurkitzen dela esan daiteke: diamantea, grafitoa eta ikatz aktiboa. Diamanteak eta grafitoak kristal-egitura dute eta ikatzak, ordea, egitura amorfoa. Karbonoa da, beraz, konposatu gehien eratzen dituen elementua.

Karbono-atomo bakoitzak lau elektroi ditu azkeneko geruzan eta horien bidez gehienez beste lau atomorekin lot daiteke. Grafitoa zein diamantea osatzeko karbono atomoak elkarrekin lotzen dira era ordenatuan. Diamantean atomo bakoitza beste lau karbonorekin elkartzen da tetraedro-egiturak osatzeko. Tetraedro horietako bakoitza erpinetatik beste tetraedro banarekin elkartzen da, hiru dimentsioko sare simetrikoa sortzen delarik. Grafitoaren kasuan, ordea, karbono-atomo bakoitza beste hiru karbonorekin elkartzen da hexagonoz osaturiko xaflak eratuz eta xaflok hiru dimentsioko egiturak osatzeko pilatu egiten dira. Xafla horien arteko loturak diamantean dauden loturak baino ahulagoak dira. Horregatik da grafitoa diamantea baino askoz ere bigunagoa.

Diamanteak eta grafitoak egitura zein propietateak desberdinak dituzte, eta erabilera ere desberdina dute. Jakina da diamanteak bitxigintzan duen garrantzia, baina diamanteak berez duen gogortasuna dela eta, ezpurutasun handikoak industrian erabiltzen dira. Grafitoa elektrodoak egiteko, lubrifikatzaile solido gisa eta lapitzen minak egiteko erabiltzen da, besteak beste.

Karbonoz osaturiko egitura berriak

Esan bezala, zientziak aurrerapauso ugari egin du eta oso maiz ezusteko aurkikuntzak egin direnean, ikerketa-ildoak desbideratu, aurreko lana baztertu eta bide berriak jorratzen hasi dira. Horixe gertatu zitzaien, hain zuzen ere, 1985ean EEBBko Robert F. Curl eta Richard E. Smalleyri eta Britainia Handiko Harold W. Krotori. Lan-talde horrek karbono hutsez osaturiko egitura berria aurkitu eta identifikatu zuen: fulerenoa. Lehenago ere beste talde batzuek ikusi zituzten konposatu horiek, baina ez zituzten "karbono hutsezko egitura ezezagun" gisa baino identifikatu. Astrokimikaria den Kroto karbonotan aberats diren izarren konposizioa ikertzen ari zen bitartean aurkitu zituzten fulerenoak. Izar gorri erraldoien kanpo-atmosferako karbono-egiturak behatu asmoz, grafitoa lurrindu egin zuten laser izpien bidez; horrela lortutako karbono-plasma aztertu ondoren, behin eta berriro behatu zuten hirurogeinaka karbono biltzeko joera oso handia zela (baita hirurogeita hamarnaka biltzekoa ere, baina neurri txikiagoan). Aurkikuntza horren ondorioz lortu zuten Kimikako Nobel saria 1996an.

Fulerenoen egitura

Ez zen lan erraza izan aurkitu berri zuten substantzia horren egitura asmatzea. Hainbat buruhausteren ondoren, R. Buckminster Fuller arkitekto eta filosofo amerikarraren (1895-1983) kupula geodesikoen egitura fulereno horiekin bat zetorrela ikusi zuten lehen aipaturiko zientzialariek. Hori dela eta, hasieran "Buckminsterfullereno" izena ipini zitzaien arren, geroago "fulereno" izena hedatu zen, baina "buckyballs" eta "buckys" izen txeratsua ere ipini zitzaien. Egitura horrek futboleko baloiaren antza du, alegia, 12 pentagonoz eta 20 hexagonoz osaturiko 60 karbonoko egitura biribil eta hutsa da, C ₆₀ . Pentagono bakoitzaren inguruan bost hexagono daude egiturari biribiltasuna eman ahal izateko. Egitura hau lortzeko karbono-atomo bakoitza beste hiru karbonorekin lotzen da, grafitoaren kasuan bezala. Ia esfera-itxura duen egitura horren diametroa 7Å -ekoa (7x10 ^-10 m-koa) da batez beste, eta bere masa molekularra 720,64koa (karbono-atomoarena 12,01ekoa delarik). Fulerenoa ezagutzen den molekularik esferiko eta simetrikoena da. % 94ko esferikotasunadu.

Esan bezala, hasieran C ₆₀ eta C ₇₀ egiturak aurkitu zituzten eta horiek ugarienak izanagatik, pixkanaka, beste batzuk ere aurkitu zituzten: C ₂₀ (posible den fulerenorik txikiena, dodekaedro erregularra da, 12 pentagonoz osaturik dago), C ₃₂ , C ₅₀ , C ₇₆ , C ₇₈ , C ₈₄ , C ₂₄₀ , C ₅₄₀ eta abar.

Bestalde, fulerenoen eta grafitoaren tarteko egiturak ere aurkitu dira: nanohodiak eta fuleroide beteak. Nanohodiak grafito-xaflak tolestuta sortzen diren oso tamaina txikiko hodi zilindrikoak dira eta muturrak fulereno-motako egituren bidez ixten dira. Fuleroide beteak, aitzitik, tamaina desberdineko grafito-fulerenoko geruza zentrokideak pilatuz sortzen dira (tipularen antzera). Ez dakite, ordea, oraindik fuleroide bete horien kantitate makroskopikoak sortu ahal izango ote diren.

Nola egiten dira?

C ₆₀ -ren sintesia W. Krätschmer eta D. R. Huffman fisikariei zor zaie (1990). Hasieran oso kantitate txikiak lortu zituzten eta hori izan zen, hain zuzen, arazorik handiena. Fulerenoek oso propietate garrantzitsuak dituzten arren, hain kantitate txikiak lortzen ziren (eta horren ondorioz hain dira garestiak), ezen zaila baitzen ikerkuntzan aurrera egitea. Hori dela eta, hasierako erronkarik handiena fulereno-kantitate makroskopikoak sintetizatzea izan zen. Gaur egun, espezializaturiko laborategietan beren fulerenoak sortzen dituzte. Aipatu zientzialariek aurkituriko prozedura harrezkero zertxobait aldatu bada ere, heliozko atmosfera kontrolatuan ezarritako grafitozko elektrodoen arteko arku voltaikoan oinarritzen da. Horrela fulereno-kantitate txikiak dituen kedarra sortzen da; kedarreko C ₆₀ /C ₇₀ proportzioa, gainera, prozeduran erabilitako korrontearen intentsitatearen araberakoa da. Prozedura hau hasieran erabilitako tresna konplexuarekin alderatuz gero oso sinplea da, baina beste fulereno-iturri batzuk ikertu dira eta ikertzen ari dira egun ere.

Bestalde, egun substantzia asko informatika-programen bidez aztertzen dira. Programa horietan oso kalkulu konplexuak egiten dira, baita emaitza onak lortu ere. Atomoen arteko loturen azterketa teorikotik abiatuz, substantzia kimikoen irudi birtualak lortzen dira eta beren geometria zein energia kalkulatzen. Fulerenoak eta eratorriak kantitate makroskopiko, merke eta puruetan lortzea hain zaila izanik, simulazio-azterketa horiek burutzea oso erabilgarria da, molekula horien egonkortasunari buruzko azterketak gauzatuz, beren propietateak iragar daitezkeelako.

Fulerenoak zertarako?

Edozein materialen erabilera aztertu aurretik, bere propietateak ikertu eta ulertu egin behar dira, propietateen arabera materialak erabilera desberdinak izango dituelako. Izan ere, fulerenoen propietateei so eginez, oso interesgarriak direla ikusiko dugu: propietate eroaleak, fotokimikoak, egiturazkoak eta abar dituzte. Propietate anitz horiei esker fulerenoentzat hainbat erabilera egon zitekeela espekulatu zen hasieran.

Egiturazko propietateei dagokienez, fulerenoen egitura txiki eta esferikoaren ondorioz, beren barnean atomo zein molekula txikiak gordetzeko gai dira: metal astunak, farmakoak eta abar. Azken horrek izugarrizko eragina izan dezake medikuntzan; izan ere, farmakoak horrela bilduta gaixoturiko organora iritsiko lirateke, bidean deuseztatu gabe edo eta beste organoetan kalterik egiteke. Bestalde, elektroien tunel-efektuan oinarritzen diren mikroskopio zehatzenetan ere erabili izan da fulerenoa. Mikroskopio horiek oso punta txikia dute eta bertan fulereno-molekula bat paratuz, bere tamaina txikiari esker, grafitoaren atomoak banaka "ikusi" ahal izan dira. Lehen aipaturiko nanohodiek, metalekin konbinatuta, korronte elektrikoa eroaten dute. Beren egitura nanometrikoa kontuan izanik oso hari txikiak eraiki daitezke eta, horren ondorioz, besteak beste, ordenagailuen txipen tamaina txiki daiteke. Gainera, grafito-egitura duten karbono-zuntzak baino erresistentzia mekaniko handiagoa dutela (alegia, sendoagoak direla) espekulatu da.

Fulerenoek 27.000 km/h-ko abiadurarekin altzairu-xafla baten aurka puskatu gabe talka egin dezakete; horrek, hain zuzen ere, molekula horien gogortasuna adierazten du. Horrez gain, oso presio handiak jasateko gai dira, gizakiok atmosferak eraginda pairatzen duguna baino 220.000 aldiz handiagoa. Ondorioz, bere paketatze-ahalmena oso handia da, diamantearena halako bi baino gehiago. Gogortasun eta paketatze-ahalmen horri esker industrian diamantearen ordezko izan daitekeela ere aipatu da.

Hala eta guztiz ere, propietate eroale eta fotokimikoak dira garrantzitsuenetakoak. Horiez gain fulerenoek beste molekulekin konbinatzeko duten gaitasuna kontuan izanik, izugarrizko potentziala duten materialak lortzen dira. Fulerenoak isolatzaile elektriko gisa edo erdieroale gisa erabil daitezke, elkartzen zaion konposatuaren arabera. Material isolatzaileek ez diote korronte elektrikoari pasatzen uzten; erdieroaleak, ordea, egoera normaletan isolatzaile gisa jokatu arren, ingurunetik energi kantitate txikia bereganatzeko gai dira, eta horrela korronte elektrikoa garraiatzen dute. Horretarako fulerenoak beste molekula batzuekin konbinatu behar dira. Fulerenoen propietate fotokimikoak direla medio, korronte elektrikoa eroateko behar duten energia hori eguzkitik lor dezakete. Propietate hauei guztiei esker fulerenoak energia berriztagarrien arloan beren bidea egiten hasi dira. Fulerenoek esparru honetan duten erabilgarritasuna eta izan ditzaketen abantailak ikertzen ari dira hainbat laborategitan.

Fulereno-molekula eratorriek osatutako eguzki-zelula fotovoltaiko iraultzailea aurkeztu zuten 1999an. Horietan, molekula berak elektroiak eman eta hartu egiten ditu, horrela zelularen eraginkortasuna handitu egin daitekeelarik. Dena dela, oraindik oso goiz omen da inolako ondoriorik ateratzeko. Egileek ere oraindik zelula honen eraginkortasuna oso txikia dela onartu dute, baina eguzki-energia gehiago zurgatzen duten eratorriak erabilita, hobekuntzak espero ei daitezke.

Oro har, korronte elektrikoa eroaten duten materialek energia galtzen dute, erresistentzia elektrikoa deitzen den fenomenoaren ondorioz. Hori eroaletik mugitzen ari diren elektroiek beren higiduran oztopoak izaten dituztelako gertatzen da. Horrek, noski, eguzki-zeluletan bere eragina du, eguzkitiko energia kantitate bat galdu egiten delako. Mende honetan zehar, ordea, erresistentziarik gabeko materialak aurkitu dira! Horrek elektroiek ez dutela beren higiduran energiarik galtzen esan nahi du. Material horiei supereroaleak deitzen zaie. Material supereroale asko aurkitu dira, baina denek arazo berbera dute: oso tenperatura baxuak behar dira supereroankortasuna ager dadin, horrela elektroiek pairaturiko oztopoak desagertu egiten direlako.

Fulerenoak, besteak beste, potasioarekin (K) edo barioarekin (Ba) konbinatuta 33 K edo -240 ºC-tan supereroale dira.

Fulerenoek hainbat eta hainbat erabilera izan ditzaketela ikusi dugu. Egunetik egunera aplikazio ugari aurkitzen zaizkie material berriei eta, horren ondorioz, egun espekulazio hutsak besterik ez direnak errealitate bihurtzeko bidean dira. Fulerenoak ugari sintetizatzea lortzen denean, errealitate bihurtuko dira gure gizartean.

Eguzki-zelula fotovoltaikoak eguzkitik heltzen zaion energia korronte elektriko bihurtzen du. Horretarako eguzki-zelulak bi material desberdin behar ditu. Batak argia zurgatzen du eta horren ondorioz elektroiak askatzen ditu eta besteak elektroi horiek bereganatzen ditu. Elektroi horien mugimenduaren ondorioz sortzen da korronte elektrikoa.