Materiales por propiedades físicas

materiales superduros

Un fullereno (también, fulereno) es una molécula compuesta por carbono que puede adoptar una forma geométrica que recuerda a una esfera, un elipsoide, un tubo (llamado nanotubo) o un anillo. Los fullerenos son similares al grafito, compuesto de hojas de anillos hexagonales enlazadas, pero conteniendo anillos pentagonales y a veces heptagonales, lo que impide que la hoja sea plana. Los fullerenos son la tercera forma molecular estable conocida de carbono, tras el grafito y el diamante.

Los fullerenos fueron descubiertos en 1985 por Harold Kroto, Robert Curl y Richard Smalley, lo que les valió la concesión del Premio Nobel de Química en 1996.

El primer fullereno descubierto fue el C
60, que consta de 12 pentágonos y 20 hexágonos. Cada pico corresponde a un átomo de carbono y cada lado a un enlace covalente. Tiene una estructura idéntica a la cúpula geodésica o un balón de fútbol. Por esta razón, se le llama «buckminsterfullereno» (en homenaje al arquitecto Buckminster Fuller quien diseñó la cúpula geodésica) o «futboleno». Los fullerenos esféricos reciben a menudo el nombre de buckyesferas y los cilíndricos el de buckytubos o nanotubos.

Destacan tanto por su versatilidad para la síntesis de nuevos compuestos. Su naturaleza y forma se han hecho ampliamente conocidas en la ciencia y en la cultura en general, por sus características físicas, químicas, matemáticas y estéticas.

Fulereno C₅₄₀.

El Buckminsterfullereno o fullereno de C₆₀

Cristales de fulerenos

Buckminsterfulereno (C₆₀).

Icosaedro truncado

El fullereno más conocido es el formado por 60 átomos de carbono (C₆₀), en el que ninguno de los pentágonos que lo componen comparten un borde; si los pentágonos tienen una arista en común, la estructura estará desestabilizada (véase pentaleno). La estructura de C₆₀ es la de un icosaedro truncado, que se asemeja al balón de fútbol cuyo diseño se inició con el Telstar 1970. Está configurado por 20 hexágonos y 12 pentágonos, con un átomo de carbono en cada una de las esquinas de los hexágonos y un enlace a lo largo de cada arista. Aunque su nombre viene de Richard Buckminster Fuller por sus domos geodésicos -el primero de 1948-, fue el ingeniero alemán Walther Bauersfeld el que en 1912 inició la construcción de una obra con esa forma¹ para la empresa de instrumentos ópticos de Carl Zeiss, en Jena. El dibujo más antiguo conocido del icosaedro truncado es el de Piero della Francesca y el más conocido el que Leonardo da Vinci hizo para el libro La Divina Proporción por encargo de Luca Pacioli.

Otros fullerenos

El fullereno C₂₀ es el más pequeño de todos, no tiene hexágonos, sólo 12 pentágonos formando un dodecaedro, mientras que el C₇₀, tiene 12 pentágonos al igual que el buckminsterfullereno, pero tiene más hexágonos, y su forma en este caso se asemeja un balón de rugby. Un nanotubo es una sustancia integrada por fullerenos polimerizados, en los que los átomos de carbono a partir de un determinado punto enlazan con los átomos de carbono de otro fullereno.

Nanotubos de carbono es un tipo de fullereno con una estructura estable del carbono que presenta propiedades muy aprovechables para la industria tal como la permisibilidad eléctrica, la fuerza entre los enlaces lo hace un material muy fuerte y resistente a altas temperaturas. Además de que puede ser dopado con otros materiales para cambiar las propiedades del material, tal como ductibilidad o fuerza del enlace lo que permitiría la creación por ejemplo de una nueva generación de chips en la electrónica a bajo costo dependiendo del proceso de creación de nanotubos.

Los fullerenos cilíndricos pueden formar estructuras más complejas, asociándose entre sí y formando nanotubos.

La predicción y el descubrimiento

Hasta el siglo XX, el grafito y el diamante eran las únicas formas alotrópicas conocidas del carbono. En experimentos de espectroscopia molecular, se observaron picos que correspondían a moléculas con una masa molecular exacta de 60, 70 ó más átomos de carbono. Harold Kroto, de la Universidad de Sussex, James Heath, Sean O'Brien, Robert Curl y Richard Smalley, de la Universidad de Rice, descubrieron el C₆₀ y otros fullerenos en 1985, en un experimento que consistió en hacer incidir un rayo láser sobre un trozo de grafito. Ellos esperaban efectivamente descubrir nuevos alótropos del carbono, pero suponían que serían moléculas largas, en lugar de las formas esféricas y cilíndricas que encontraron. A Kroto, Curl y a Smalley se les concedió el premio Nobel de Química en 1996, por su colaboración en el descubrimiento de esta clase de compuestos. El C₆₀ y otros fullerenos fueron más adelante observados fuera del laboratorio (ej. en el hollín de una vela). Hacia el año 1991, era relativamente fácil producir unos cuantos gramos de polvo de fullereno usando las técnicas de Donald Huffman y Wolfgang Krätschmer. La purificación del fullereno era un desafío para los químicos hasta hace poco cuando un equipo de investigadores españoles desarrolló un nuevo proceso de obtención.² Los fullerenos endoédricos han incorporado, entre los átomos de la red, iones u otras moléculas más pequeñas. El fullereno es un reactivo habitual en muchas reacciones orgánicas como por ejemplo en la reacción de Bingel, descubierta en 1993.

Fullerenos en el espacio

Fulerenos. La imagen muestra una concepción artística, que ilustra las bolas de carbono despedidas de una nebulosa planetaria. Las imágenes de Tc1 no son muy buenas, por consiguiente una foto de la nebulosa NGC 2440 (tomada con el telescopio Hubble) fue usada en esta concepción artística.³

En julio de 2010 la NASA anunció el descubrimiento de fullerenos en el espacio. Al usar la visión infrarroja sensible del telescopio Spitzer, los investigadores han confirmado la presencia de C₇₀ en la nebulosa planetaria Tc1. Los astrónomos creen que los fullerenos son creados en las capas exteriores de una estrella, como nuestro sol, y posteriormente son expulsadas al espacio después de la explosión de las mismas.³

Propiedades

Desde su descubrimiento, las propiedades químicas y físicas de los fullerenos todavía continúan bajo un intenso estudio. Entre las propiedades físicas más relevantes se encuentra el gap de energía entre el orbital ocupado de más alta energía (HOMO) y el orbital desocupado de menor energía (LUMO), cuya medida es ca. 1.7 eV.^4 5 La simetría del estado base del fulereno C₆₀corresponde al grupo puntual Ih. En esta simetría los orbitales HOMO y LUMO están cinco y tres veces degenerados, h_u y t_1u respectivamente. Debido a este hecho, transiciones electrónicas desde HOMO a LUMO están prohibidas por simetría. El fulereno C₆₀ presenta 174 modos normales de vibración (3N - 6, donde N = 60 átomos de carbono) en la región del infrarrojo. No obstante, solo cuatro modos normales son activos.

Relación geométrica entre los hexágonos y pentágonos de los hexapentas por el Número de Oro.

En el icosaedro truncado y los cuerpos geométricos semejantes a él -los hexapentas- la clave matemática está en la relación geométrica entre los hexágonos y los pentágonos que los configuran. La demostración de la armonía en los hexapentas en general, dada la consonancia entre sus hexágonos y pentágonos componentes (considerando que ambas figuras en cada caso tienen la misma longitud de sus lados o aristas del poliedro), está dada en la relación de sus apotemas mediante el Número Áureo (ф = 1,618…).

En el campo de la nanomedicina, el fulereno C₆₀ se ha estudiado su potencial uso medicinal como fijador de antibióticos espécificos en su estructura para atacar bacterias resistentes y ciertas células cancerígenas, tales como el melanoma.

Los fullerenos no son muy reactivos debido a la estabilidad de los enlaces tipo grafito, y son también muy poco solubles en la mayoría de disolventes. Entre los disolventes comunes para los fullerenos se incluyen el tolueno y el disulfuro de carbono. Las disoluciones de buckminsterfullereno puro tienen un color púrpura intenso. El fullereno es la única forma alotrópica del carbono que puede ser disuelta. Los investigadores han podido aumentar su reactividad uniendo grupos activos a las superficies de los fullerenos. El buckminsterfullereno no presenta "superaromaticidad", es decir, los electrones de los anillos hexagonales no pueden deslocalizar en la molécula entera.

Se pueden atrapar otros átomos dentro de los fullerenos; de hecho existen evidencias de ello gracias al análisis del gas noble conservado en estas condiciones tras el impacto de un meteorito a finales del periodo Pérmico. En el campo de la nanotecnología, la resistencia térmica y la superconductividad son algunas de las características más profundamente estudiadas.

Un método habitual para producir fullerenos es hacer pasar una corriente eléctrica intensa entre dos electrodos de grafito próximos en atmósfera inerte. El arco resultante entre los dos electrodos produce un depósito de hollín del que se pueden aislar muchos fullerenos diferentes.

Posibles riesgos

Aunque se piensa que las buckyesferas son en teoría relativamente inertes, una presentación dada a la Sociedad Química Estadounidense en marzo de 2004 y descrita en un artículo publicado en la revista New Scientist el 3 de abril de 2004, sugiere que la molécula es perjudicial para los organismos. Un experimento llevado a cabo por Eva Oberdörster en la Southern Methodist University, en el que introdujo fullerenos en agua en concentraciones de 0,5 partes por millón, mostró que un pez (Micropterus salmoides) "Black Bass" sufrió un daño celular en el tejido cerebral 17 veces superior, 48 horas después. El daño consistía en una peroxidación lipídica a nivel de la membrana celular, lo que deteriora el funcionamiento de ésta. Se produjeron también inflamaciones en el hígado y la activación de genes relacionados con la síntesis de enzimas reparadoras.

Solubilidad

La siguiente lista muestra los disolventes en orden decreciente de solubilidad para una mezcla de C₆₀/C₇₀). Los valores entre paréntesis indican la concentración de saturación.

• 1,2,4-triclorobenceno (20 mg/ml)
• disulfuro de carbono (12 mg/ml)
• tolueno (3,2 mg/ml)
• benceno (1,8 mg/ml)
• cloroformo (0,5 mg/ml)
• tetracloruro de carbono (0,4 mg/ml)
• ciclohexano (0,054 mg/ml)
• n-hexano (0,046 mg/ml)
• tetrahidrofurano (0,037 mg/ml)
• acetonitrilo (0,02 mg/ml)
• metanol (0,0009 mg/ml)

Matemáticas de los fullerenos

En términos matemáticos, la estructura de un fullereno es un poliedro convexo con caras pentagonales y hexagonales.

Con ayuda de la fórmula de Euler: caras + Vértices - aristas = 2, además del hecho de que cada vértice en una estructura de fullereno pertenece exactamente a tres caras, se puede demostrar fácilmente que en un fullereno hay exactamente 12 pentágonos. El fullereno más pequeño es el C₂₀, el dodecaedro. No existen fullerenos con 22 vértices. El número de fullerenos C_2n diferentes crece de manera muy rápida al aumentar el valor de n; por ejemplo, hay 1.812 fullerenos C₆₀, pero sólo uno de ellos, el buckminsterfullereno, no tiene pentágonos adyacentes.

Es conveniente saber que B. Fuller⁶ creó la fórmula matemática al aplicarlas a las estructuras arquitectónicas de su amigo el escultor Kenneth Snelsson, quien en los años 70 diseñó estructuras que consistían en barras metálicas rígidas y alambres de acero. Fuller creó el término "Tensegrity", para describir el tipo de estructuras de tensión interna estables que proyectara.

El buckminsterfullereno en las artes plásticas

Escultura Buckyesfera de 9 metros de diámetro creada por el ex-físico Julian Voss-Andreae.

El físico que se transformó en artista Julian Voss-Andreae ha creado diversas esculturas que simbolizan la dualidad onda-partícula en los buckminsterfullerenos.⁷ Voss-Andreae participó en investigaciones realizadas para demostrar que objetos tan grandes como los buckminsterfullerenos también obedecen a las peculiares leyes de la física cuántica.⁸ Después de esto, Voss-Andreae decidió cambiar su profesión para convertirse en artista de tiempo completo. A partir de entonces ha diseñado objetos tales como la estructura de bronce de 60 centímetros de diámetro llamada "Buckyesfera Cuántica" (2004) que consiste en cuatro buckyesferas anidadas. Su escultura más grande basada en fullerenos se ubica en un parque privado en Portland, Oregon (Estados Unidos). Realidad Cuántica (Gran Buckyesfera Rodeada de Árboles) (2007) es una estructura de acero de 9 metros de diámetro atravesada por varios árboles que crecen libremente en medio de ella y la sostienen en el aire justo por encima del alcance de los brazos.

Propiedades y aplicaciones. En su estado natural el C60 no es conductor de la electricidad. Sin embargo, científicos de un compañía norteamericana han descubierto que cuando sele añaden ciertas impurezas como el potasio, se obtiene un compuesto que sí es conductor. Pero cuando la cantidad de potasio es demasiado elevada, la nueva sustancia vuelve a convertirse en aislante. Así que puede ser un increíble semiconductor para sofisticadas aplicaciones en microelectrónica. Por si fuera poco, cuando este compuesto se enfría por debajo de los 255 ºC, se transforma en un superconductor. Los científicos creen que en un futuro muy cercano, los fullerenos permitirán fabricar superconductores capaces de transmitir la corriente eléctrica sin pérdidas. Sorprendentemente los fullerenos presentan capacidades ferromagnéticas, aunque no contiene hierro. De modo que podrían utilizarse perfectamente en la construcción de imanes plásticos de muy poco peso. Otros investigadores acaban de descubrir que los compuestos de C60 y Flúor forman un compuesto de teflón que acaso llegue a convertirse en el más eficaz lubricante de la historia. Debido a la fortaleza de su estructura los investigadores creen que las cadenas compuestas por moléculas de C60 permitirán manufacturar una nueva generación de polímeros, que resultarían ser materiales increíblemente resistentes. Se estudian otras experiencias que abren la puerta a la posibilidad de conseguir algún día hilo de espesor atómico que harían nacer una nueva era para la microelectrónica. Eso, sin contar, con la capacidad de los fullerenos para transportar otros tipo de moléculas en su interior.

Fuente: http://www.arqhys.com/construccion/fulleneros-propiedades.html