Fulerenos: a química de hoxe, a aposta de mañá

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

• Kimika

Si analízase a abundancia de elementos superficiais, obsérvase que o carbono non é un dos elementos máis abundantes (a media é de 320 g de carbono por tonelada de superficie). Combinada con outros elementos na litosfera, atópase nas calcarias e o petróleo. Con todo, na atmosfera e nas augas mariñas o CO está en forma de 2. En xeral, o carbono é o elemento básico das moléculas orgánicas. O carbono é a base da maioría dos compoñentes necesarios paira a vida. Moitos dos combustibles que utilizamos na nosa vida cotiá (gasolina e butano extraído do petróleo) e/ou plásticos, en gran medida compostos por carbono. En resumo, pódese dicir que na natureza o carbono, sen asociarse nin mesturarse con outros elementos, atópase en tres formas principais: o diamante, o grafito e o carbón activo. O diamante e o grafito teñen una estrutura cristalina e o carbón una estrutura amorfa. O carbono é, por tanto, o elemento que máis compostos xera.

Cada átomo de carbono ten catro electróns na última capa, a través dos cales se pode conectar cun máximo de catro átomos. Tanto o grafito como o diamante fórmanse mediante a unión ordenada dos átomos de carbono. No diamante cada átomo únese a outro catro carbonos paira formar estruturas de tetraedros. Cada un destes tetraedros únese a outro tetraedro polos vértices, formando una rede tridimensional simétrica. No caso do grafito, con todo, cada átomo de carbono únese a outro tres carbonos formando láminas de hexágono que se acumulan paira formar estruturas tridimensionales. As unións entre estes ferros son máis débiles que as unións en diamante. Por iso o grafito é moito máis brando que o diamante.

O diamante e o grafito teñen diferentes estruturas e propiedades, e o seu uso é diferente. Sábese a importancia do diamante na xoiaría, pero debido á dureza intrínseca do diamante, as grandes impurezas utilízanse na industria. O grafito utilízase na fabricación de electrodos, como lubricante sólido, minas de lapis, etc.

Novas estruturas de carbono

Como xa se indicou, a ciencia avanzou moito e, en moitos casos, cando se produciron descubrimentos imprevistos, desviáronse as liñas de investigación, descartouse o traballo anterior e iniciáronse novas vías. É o que lles pasou en 1985 Robert F de EEUU. Curl e Richard E. Www.euskaltel.com e Harold W Británico Krotori. Este equipo de traballo descubriu e identificou una nova estrutura de carbono: o fulereno. Estes compostos xa foron vistos por outros grupos, pero non foron identificados como "estruturas descoñecidas de carbono". O astroquímico Kroto atopou fulerenos mentres investigaba a composición de estrelas ricas en carbono. Co fin de observar as estruturas de carbono da atmosfera exterior das xigantescas estrelas vermellas, o grafito foi evaporado por raios láser; tras analizar o plasma de carbono así obtido, constátase unha e outra vez que a tendencia á recollida de carbono por sexenios era moi elevada (mesmo setenta en volume). Este descubrimento levoulle ao Premio Nobel de Química en 1996.

Estrutura dos fulerenos

Non foi tarefa fácil imaxinar a estrutura desta sustancia que acabaron de atopar. Tras varios quebradizos de cabeza, R. Os científicos anteriormente citados descubriron que a estrutura das cúpulas geodésicas do arquitecto e filósofo americano Buckminster Fuller (1895-1983) correspondíase coas mesmas. Por iso, aínda que inicialmente denomináronse "Buckminsterfullereno", máis tarde popularizouse o termo "fulereno", pero tamén se lles chamou "buckyballs" e "buckys". Esta estrutura aseméllase ao balón de fútbol, é dicir, é una estrutura circular e oca de 60 carbono composta por 12 pentágonos e 20 hexágonos, C 60 . Ao redor de cada un dos pentágonos hai cinco hexágonos que permiten darlle una rotundidade á estrutura. Esta estrutura obtense asociando cada átomo de carbono a outros tres carbonos, como no caso do grafito. Esta estrutura, de forma case esférica, ten un diámetro medio de 7Á (7x10 -10 m) e una masa molecular de 720,64 (12,01 do átomo de carbono). O fulereno é a molécula máis esférica e simétrica coñecida. 94% de esfericidad.

Como xa se comentou, nun principio atopáronse estruturas C 60 e C 70 que, a pesar de ser as máis numerosas, aos poucos foron descubrindo outras: C 20 (o fulereno máis pequeno posible, dodecaedro regular, formado por 12 pentágonos), C 32 , C 50 , C 76 , C 78 , C 84 , C 240 , C 540, etc.

Tamén se atoparon estruturas intermedias entre os fulerenos e o grafito: nanotubos e fuleroides cheos. Os nanotubos son tubos cilíndricos de moi pequeno tamaño que se forman mediante o encartado das láminas de grafito e cuxos extremos se pechan mediante estruturas tipo fulereno. Pola contra, os fuleroides cheos fórmanse por acumulación de capas concéntricas de grafito-fulereno de diferente tamaño (ao estilo da cebola). Con todo, aínda non saben si poderanse producir cantidades macroscópicas destes fuleroides cheos.

Como se fan?

Síntese de C 60 W. Krätschmer e D. R. Huffman débese aos físicos (1990). Ao principio obtiveron cantidades moi pequenas, que foi o maior problema. Aínda que as propiedades dos fulerenos son moi importantes, obtíñanse cantidades tan pequenas (e por tanto tan caras) que era difícil avanzar na investigación. Por iso, o maior reto inicial foi sintetizar cantidades macroscópicas de fulereno. Na actualidade, os laboratorios especializados xeran os seus propios fulerenos. Aínda que o procedemento descuberto por estes científicos variou lixeiramente desde entón, baséase no arco voltaico entre os electrodos de grafito establecidos na atmosfera controlada de helio. Desta forma xérase una hollín con pequenas cantidades de fulereno, a proporción C 60 /C 70 de hollín depende ademais da intensidade de corrente utilizada no procedemento. Este procedemento é moi sinxelo si compárase coa complexa ferramenta utilizada inicialmente, pero se investigaron e seguen investigando outras fontes de fulereno.

Doutra banda, na actualidade moitas sustancias son analizadas a través de programas informáticos. Nestes programas realízanse cálculos moi complexos e obtéñense bos resultados. A partir da análise teórica das unións entre átomos, obtéñense imaxes virtuais de sustancias químicas e calcúlase a súa xeometría e enerxía. Dada a dificultade de obter fulerenos e derivados en cantidades macroscópicas, baratas e puras, a realización destes estudos de simulación resulta de gran utilidade, xa que a realización de estudos de estabilidade destas moléculas permite predicir as súas propiedades.

Os fulerenos paira que?

Antes de analizar o uso de calquera material, é necesario investigar e comprender as súas propiedades, xa que dependendo das súas propiedades o material terá diferentes usos. De feito, se nos fixamos nas propiedades dos fulerenos, veremos que son moi interesantes: teñen propiedades condutoras, fotoquímicas, estruturais, etc. Grazas a estas múltiples propiedades especulouse inicialmente a posibilidade de varios usos paira os fulerenos.

En canto ás propiedades estruturais, a pequena e esférica estrutura dos fulerenos fai que sexan capaces de almacenar nos seus interior átomos e moléculas pequenas: metais pesados, fármacos, etc. Esta última pode ter una gran influencia no medicamento, xa que os fármacos así reunidos poderían chegar ao órgano enfermo sen destruílo no camiño ou prexudicalo noutros órganos. Doutra banda, o fulereno utilizouse tamén nos microscopios máis precisos baseados no efecto túnel dos electróns. Estes microscopios teñen una pequena punta na que mediante a colocación dunha molécula de fulereno, o seu pequeno tamaño ha permitido que os átomos do grafito víronse" individualmente. Os nanotubos antes mencionados, combinados con metais, conducen corrente eléctrica. A súa estrutura nanométrica permite a construción de fíos moi pequenos, o que permite, entre outras cousas, reducir o tamaño dos chips dos computadores. Ademais, especulouse que teñen maior resistencia mecánica (é dicir, son máis resistentes) que as fibras de carbono con estrutura de grafito.

Os fulerenos poden chocar a unha velocidade de 27.000 km/h sen romper contra un ferro de aceiro, o que indica a dureza destas moléculas. Ademais, son capaces de soportar presións moi elevadas, 220.000 veces superiores ás que sufrimos os seres humanos por mor da atmosfera. En consecuencia, a súa capacidade de embalaxe é moi elevada, máis do dobre que a do diamante. Esta dureza e capacidade de empaquetado tamén fixo referencia ao seu potencial industrial como substituto do diamante.

Con todo, as propiedades condutoras e fotoquímicas son algunhas das máis importantes. Ademais, tendo en conta a capacidade dos fulerenos de combinarse con outras moléculas, obtéñense materiais cun enorme potencial. Os fulerenos poden utilizarse como illantes eléctricos ou como semiconductores, dependendo do composto ao que se asocie. Os materiais illantes non deixan pasar a corrente eléctrica, mentres que os semiconductores, a pesar de actuar como illantes en condicións normais, son capaces de absorber una pequena cantidade de enerxía do medio, transportando así a corrente eléctrica. Paira iso é necesario combinar os fulerenos con outras moléculas. As propiedades fotoquímicas dos fulerenos permiten obter da luz solar a enerxía necesaria paira conducir corrente eléctrica. Todas estas propiedades permitiron aos fulerenos iniciar a súa andaina no campo das enerxías renovables. En varios laboratorios está a investigarse a utilidade e posibles vantaxes dos fulerenos neste campo.

En 1999 presentaron a revolucionaria célula solar fotovoltaica formada por moléculas derivadas de fulereno. Nelas, a mesma molécula fornece e capta electróns, o que permite aumentar a eficacia celular. Con todo, aínda é moi pronto paira sacar conclusións. Os autores recoñeceron aínda que a eficacia desta célula é moi baixa, pero coa utilización de derivados que absorben máis enerxía solar pódense esperar melloras.

En xeral, os materiais que conducen a corrente eléctrica perden enerxía debido ao fenómeno denominado resistencia eléctrica. Isto débese a que os electróns que se desprazan do condutor teñen obstáculos no seu movemento. Isto, por suposto, ten a súa influencia nas células solares, xa que una cantidade de enerxía solar pérdese. Durante este século, con todo, atopáronse materiais sen resistencia! Isto significa que os electróns non perden enerxía no seu movemento. Estes materiais denomínanse superconductores. Atopáronse moitos materiais superconductores pero todos teñen o mesmo problema: necesítanse temperaturas moi baixas para que apareza a superconductividad, xa que así desaparecen os obstáculos sufridos polos electróns.

Os fulerenos combinados con potasio (K) ou bario (Ba) a 33K ou -240 ºC son superconductores.

Habemos visto que os fulerenos poden ter moitos usos. Cada día atópanse numerosas aplicacións aos novos materiais e, como consecuencia, os que na actualidade son só especulacións, están a converterse en realidade. Cando se logre una elevada síntese de fulerenos, estes converteranse en realidade na nosa sociedade.

A célula solar fotovoltaica converte a enerxía que chega do sol en corrente eléctrica. Paira iso a célula solar necesita dous materiais diferentes. Un absorbe a luz, liberando electróns e o outro os capta. A corrente eléctrica xorde como consecuencia do movemento destes electróns.