Fulerenos: la química d'avui, l'aposta de demà

2000/08/01 Imaz Oiartzabal, Alaitz | Matxain Beraza, Jon Mattin - EHUko Kimika Fakultateko eta DIPCko ikertzailea Iturria: Elhuyar aldizkaria

• Kimika

Si s'analitza l'abundància d'elements superficials, s'observa que el carboni no és un dels elements més abundants (la mitjana és de 320 g de carboni per tona de superfície). Combinada amb altres elements en la litosfera, es troba en les calcàries i el petroli. No obstant això, en l'atmosfera i en les aigües marines el CO està en forma de 2. En general, el carboni és l'element bàsic de les molècules orgàniques. El carboni és la base de la majoria dels components necessaris per a la vida. Molts dels combustibles que utilitzem en la nostra vida quotidiana (gasolina i butà extret del petroli) i/o plàstics, en gran manera composts per carboni. En resum, es pot dir que en la naturalesa el carboni, sense associar-se ni barrejar-se amb altres elements, es troba en tres formes principals: el diamant, el grafit i el carbó actiu. El diamant i el grafit tenen una estructura cristal·lina i el carbó una estructura amorfa. El carboni és, per tant, l'element que més compostos genera.

Cada àtom de carboni té quatre electrons en l'última capa, a través dels quals es pot connectar amb un màxim de quatre àtoms. Tant el grafit com el diamant es formen mitjançant la unió ordenada dels àtoms de carboni. En el diamant cada àtom s'uneix a altres quatre carbonis per a formar estructures de tetraedres. Cadascun d'aquests tetraedres s'uneix a un altre tetraedre pels vèrtexs, formant una xarxa tridimensional simètrica. En el cas del grafit, no obstant això, cada àtom de carboni s'uneix a altres tres carbonis formant làmines d'hexàgon que s'acumulen per a formar estructures tridimensionals. Les unions entre aquestes planxes són més febles que les unions en diamant. Per això el grafit és molt més tou que el diamant.

El diamant i el grafit tenen diferents estructures i propietats, i el seu ús és diferent. Se sap la importància del diamant en la joieria, però a causa de la duresa intrínseca del diamant, les grans impureses s'utilitzen en la indústria. El grafit s'utilitza en la fabricació d'elèctrodes, com a lubrificant sòlid, mines de llapis, etc.

Noves estructures de carboni

Com ja s'ha indicat, la ciència ha avançat molt i, en molts casos, quan s'han produït descobriments imprevistos, s'han desviat les línies de recerca, s'ha descartat el treball anterior i s'han iniciat noves vies. És el que els va passar en 1985 Robert F dels EUA. Curl i Richard E. Www.euskaltel.com i Harold W Britànic Krotori. Aquest equip de treball va descobrir i va identificar una nova estructura de carboni: el fulereno. Aquests compostos ja van ser vists per altres grups, però no van ser identificats com a estructures "desconegudes de carboni". L'astroquímico Kroto va trobar fulerenos mentre investigava la composició d'estrelles riques en carboni. Amb la finalitat d'observar les estructures de carboni de l'atmosfera exterior de les gegantesques estrelles vermelles, el grafit va ser evaporat per raigs làser; després d'analitzar el plasma de carboni així obtingut, es constata una vegada i una altra que la tendència a la recollida de carboni per sexennis era molt elevada (fins i tot setanta en volum). Aquest descobriment li va portar al Premi Nobel de Química en 1996.

Estructura dels fulerenos

No va ser tasca fàcil imaginar l'estructura d'aquesta substància que van acabar de trobar. Després de diversos maldecaps, R. Els científics anteriorment citats van descobrir que l'estructura de les cúpules geodèsiques de l'arquitecte i filòsof americà Buckminster Fuller (1895-1983) es corresponia amb aquestes. Per això, encara que inicialment es van denominar "Buckminsterfullereno", més tard es va popularitzar el terme "fulereno", però també se'n va dir "buckyballs" i "buckys". Aquesta estructura s'assembla a la pilota de futbol, és a dir, és una estructura circular i buida de 60 carboni composta per 12 pentàgons i 20 hexàgons, C 60 . Entorn de cadascun dels pentàgons hi ha cinc hexàgons que permeten donar-li una rotunditat a l'estructura. Aquesta estructura s'obté associant cada àtom de carboni a altres tres carbonis, com en el cas del grafit. Aquesta estructura, de forma gairebé esfèrica, té un diàmetre mitjà de 7Á (7x10 -10 m) i una massa molecular de 720,64 (12,01 de l'àtom de carboni). El fulereno és la molècula més esfèrica i simètrica coneguda. 94% d'esfericitat.

Com ja s'ha comentat, al principi es van trobar estructures C 60 i C 70 que, malgrat ser les més nombroses, a poc a poc van anar descobrint unes altres: C 20 (el fulereno més petit possible, dodecaedre regular, format per 12 pentàgons), C 32 , C 50 , C 76 , C 78 , C 84 , C 240 , C 540, etc.

També s'han trobat estructures intermèdies entre els fulerenos i el grafit: nanotubos i fuleroides plens. Els nanotubos són tubs cilíndrics de molt petita grandària que es formen mitjançant el plegat de les làmines de grafit i els extrems del qual es tanquen mitjançant estructures tipus fulereno. Per contra, els fuleroides plens es formen per acumulació de capes concèntriques de grafit-fulereno de diferent grandària (a l'estil de la ceba). No obstant això, encara no saben si es podran produir quantitats macroscòpiques d'aquests fuleroides plens.

Com es fan?

Síntesi de C 60 W. Krätschmer i D. R. Huffman es deu als físics (1990). Al principi van obtenir quantitats molt petites, que va ser el major problema. Encara que les propietats dels fulerenos són molt importants, s'obtenien quantitats tan petites (i per tant tan cares) que era difícil avançar en la recerca. Per això, el major repte inicial va ser sintetitzar quantitats macroscòpiques de fulereno. En l'actualitat, els laboratoris especialitzats generen els seus propis fulerenos. Si bé el procediment descobert per aquests científics ha variat lleugerament des de llavors, es basa en l'arc voltaic entre els elèctrodes de grafit establerts en l'atmosfera controlada d'heli. D'aquesta forma es genera una sutge amb petites quantitats de fulereno, la proporció C 60 /C 70 de sutge depèn a més de la intensitat de corrent utilitzat en el procediment. Aquest procediment és molt senzill si es compara amb la complexa eina utilitzada inicialment, però s'han investigat i continuen investigant altres fonts de fulereno.

D'altra banda, en l'actualitat moltes substàncies són analitzades a través de programes informàtics. En aquests programes es realitzen càlculs molt complexos i s'obtenen bons resultats. A partir de l'anàlisi teòrica de les unions entre àtoms, s'obtenen imatges virtuals de substàncies químiques i es calcula la seva geometria i energia. Donada la dificultat d'obtenir fulerenos i derivats en quantitats macroscòpiques, barates i pures, la realització d'aquests estudis de simulació resulta de gran utilitat, ja que la realització d'estudis d'estabilitat d'aquestes molècules permet predir les seves propietats.

Els fulerenos per a què?

Abans d'analitzar l'ús de qualsevol material, és necessari investigar i comprendre les seves propietats, ja que depenent de les seves propietats el material tindrà diferents usos. De fet, si ens fixem en les propietats dels fulerenos, veurem que són molt interessants: tenen propietats conductores, fotoquímiques, estructurals, etc. Gràcies a aquestes múltiples propietats es va especular inicialment la possibilitat de diversos usos per als fulerenos.

Quant a les propietats estructurals, la petita i esfèrica estructura dels fulerenos fa que siguin capaços d'emmagatzemar en el seu interior àtoms i molècules petites: metalls pesants, fàrmacs, etc. Aquesta última pot tenir una gran influència en la medicina, ja que els fàrmacs així reunits podrien arribar a l'òrgan malalt sense destruir-lo en el camí o perjudicar-lo en altres òrgans. D'altra banda, el fulereno s'ha utilitzat també en els microscopis més precisos basats en l'efecte túnel dels electrons. Aquests microscopis tenen una petita punta en la qual mitjançant la col·locació d'una molècula de fulereno, la seva petita grandària ha permès que els àtoms del grafit s'hagin "vist" individualment. Els nanotubos abans esmentats, combinats amb metalls, condueixen corrent elèctric. La seva estructura nanométrica permet la construcció de fils molt petits, la qual cosa permet, entre altres coses, reduir la grandària dels xips dels ordinadors. A més, s'ha especulat que tenen major resistència mecànica (és a dir, són més resistents) que les fibres de carboni amb estructura de grafit.

Els fulerenos poden xocar a una velocitat de 27.000 km/h sense trencar-se contra una planxa d'acer, la qual cosa indica la duresa d'aquestes molècules. A més, són capaços de suportar pressions molt elevades, 220.000 vegades superiors a les que sofrim els éssers humans a causa de l'atmosfera. En conseqüència, la seva capacitat d'embalatge és molt elevada, més del doble que la del diamant. Aquesta duresa i capacitat d'empaquetat també ha fet referència al seu potencial industrial com a substitut del diamant.

No obstant això, les propietats conductores i fotoquímiques són algunes de les més importants. A més, tenint en compte la capacitat dels fulerenos de combinar-se amb altres molècules, s'obtenen materials amb un enorme potencial. Els fulerenos poden utilitzar-se com a aïllants elèctrics o com a semiconductors, depenent del compost al qual s'associï. Els materials aïllants no deixen passar el corrent elèctric, mentre que els semiconductors, malgrat actuar com a aïllants en condicions normals, són capaces d'absorbir una petita quantitat d'energia del mitjà, transportant així el corrent elèctric. Per a això és necessari combinar els fulerenos amb altres molècules. Les propietats fotoquímiques dels fulerenos permeten obtenir de la llum solar l'energia necessària per a conduir corrent elèctric. Totes aquestes propietats han permès als fulerenos iniciar la seva marxa en el camp de les energies renovables. En diversos laboratoris s'està investigant la utilitat i possibles avantatges dels fulerenos en aquest camp.

En 1999 van presentar la revolucionària cèl·lula solar fotovoltaica formada per molècules derivades de fulereno. En elles, la mateixa molècula subministra i capta electrons, la qual cosa permet augmentar l'eficàcia cel·lular. No obstant això, encara és molt aviat per a treure conclusions. Els autors han reconegut encara que l'eficàcia d'aquesta cèl·lula és molt baixa, però amb la utilització de derivats que absorbeixen més energia solar es poden esperar millores.

En general, els materials que condueixen el corrent elèctric perden energia a causa del fenomen denominat resistència elèctrica. Això es deu al fet que els electrons que es desplacen del conductor tenen obstacles en el seu moviment. Això, per descomptat, té la seva influència en les cèl·lules solars, ja que una quantitat d'energia solar es perd. Durant aquest segle, no obstant això, s'han trobat materials sense resistència! Això significa que els electrons no perden energia en el seu moviment. Aquests materials es denominen superconductors. S'han trobat molts materials superconductors però tots tenen el mateix problema: es necessiten temperatures molt baixes perquè aparegui la superconductivitat, ja que així desapareixen els obstacles soferts pels electrons.

Els fulerenos combinats amb potassi (K) o bari (Ba) a 33K o -240 °C són superconductors.

Hem vist que els fulerenos poden tenir molts usos. Cada dia es troben nombroses aplicacions als nous materials i, com a conseqüència, els que en l'actualitat són només especulacions, s'estan convertint en realitat. Quan s'aconsegueixi una elevada síntesi de fulerenos, aquests es convertiran en realitat en la nostra societat.

La cèl·lula solar fotovoltaica converteix l'energia que arriba del sol en corrent elèctric. Per a això la cèl·lula solar necessita dos materials diferents. Un absorbeix la llum, alliberant electrons i l'altre els capta. El corrent elèctric sorgeix com a conseqüència del moviment d'aquests electrons.