El carbono es un elemento curioso. Se presenta en formas y colores diversos. Quizá los más comunes son los sólidos negros como el grafito, pero también se puede presentar como el cristalino y duro diamante. Efectivamente, los diamantes están pura y simplemente formados por átomos de carbono. Claro está que en los diamantes esos átomos de carbono están ordenados de una forma muy especial, que sólo se consigue bajo presiones muy altas. Así que en este caso esas piedras tan preciosas son escasas y caras no debido a su composición sino a las extrañas condiciones bajo las que se forman. En cualquier caso el grafito es un material muy común y barato que se puede encontrar en las minas de los lápices. En el grafito los átomos de carbono forman capas en las que cada átomo está rodeado por otros tres átomos idénticos a él formando una estructura hexagonal. En el diamante cada átomo de carbono está enlazado a cuatro vecinos iguales dispuestos en forma de tetraedro.
La estructura de cada uno de estos dos materiales, es decir, el orden interno de sus átomos, es lo que determina sus propiedades. El enlace en tres dimensiones de los átomos de carbono en el diamante da lugar a una estructura más robusta y por tanto a cristales más duros que en el caso del grafito. En este último el enlace se limita a las dos dimensiones de las capas, que pueden deslizarse fácilmente entre sí lo cual da lugar a un material blando que se usa como lubricante sólido.
Todo esto se sabe desde hace ya muchos años. Pero hace poco el carbono irrumpió con fuerza de nuevo en el mundo de los materiales gracias a una aparición estelar con nuevas ropas. El año 1985 se descubrió una nueva forma del carbono, de hecho una familia entera de nuevas formas. El primer miembro de esta familia y el mejor conocido es una forma con estructura esférica, compuesta por sesenta átomos de carbono. Esta bola de fórmula C60 se conoce también como "buckminsterfullerene" o simplemente "fullereno" en honor del ingeniero americano R. Buckminster Fuller. El ingeniero Fuller había diseñado, ya el año 1967, para la exposición en Montreal, una cúpula geodésica en la que usaba elementos hexagonales junto con alguno pentagonal para curvar la superficie. La molécula de fullereno es verdaderamente un asombroso conjunto de sesenta átomos de carbono, todos ellos equivalentes, indistinguibles, cada uno enlazado a otros tres carbonos, como en el grafito, pero con una topología peculiar, formando parte de dos hexágonos y un pentágono que da lugar a una estructura cerrada.
Los fullerenos o fulerenos son la tercera forma más estable del carbono, tras el diamante y el grafito. Como se menciono anteriormente, el primer fullereno se descubrió el año 1985 y, desde entonces, se han vuelto populares entre los químicos, tanto por su belleza estructural como por su versatilidad para la síntesis de nuevos compuestos, ya que se presentan en forma de esferas, elipsoides o cilindros. Los fullerenos esféricos reciben a menudo el nombre de buckyesferas y los cilíndricos el de buckytubos o nanotubos. Pocas veces a lo largo de la historia actual de la química, una investigación ha dado lugar de forma inesperada al descubrimiento de una familia de moléculas tan excepcional como es la de los fullerenos, que constituye una nueva forma alotrópica del carbono, además de grafito y diamante, y posee unas propiedades excepcionales. Particularmente destaca la geometría tridimensional altamente simétrica de estas moléculas. En concreto, la más pequeña y representativa de ellas, el fullereno C60, posee una geometría idéntica a la de un balón de fútbol. Las aplicaciones potenciales de estas moléculas pueden suponer una auténtica revolución en el mundo de la ciencia.
Hasta el siglo veinte, 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 sesenta, setenta o 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 fulerenos, en un experimento que consistió en hacer incidir un rayo laser 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 le concedió el premio Nobel de Química el año 1996, por su colaboración en el descubrimiento de esta clase de compuestos. El C60 y otros fulerenos fueron más adelante observados fuera del laboratorio. Hacia el año 1991, era relativamente fácil producir unos cuantos gramos de polvo de fulereno usando las técnicas de Donald Huffman y Wolfgang Krätschmer. La purificación del fulereno era un desafío para los químicos hasta hace poco cuando un equipo de investigadores españoles desarrolló un nuevo proceso de obtención. Los fulerenos endoédricos han incorporado, entre los átomos de la red, iones u otras moléculas más pequeñas. El fulereno es un reactivo habitual en muchas reacciones orgánicas como por ejemplo en la reacción de Bingel, descubierta el año 1993.
A comienzos del siglo veintiuno, las propiedades químicas y físicas de los fulerenos todavía están bajo intenso estudio, en laboratorios de investigación pura y aplicada. En abril del año 2003, se estaba estudiando el potencial uso medicinal de los fulerenos, fijando antibióticos específicos en su estructura para atacar bacterias resistentes y ciertas células cancerígenas, tales como el melanoma. Los fulerenos no son muy reactivos debido a la estabilidad de los enlaces tipo grafito, y es también muy poco soluble en la mayoría de disolventes. Entre los disolventes comunes para los fulerenos se incluyen el tolueno y de disulfuro de carbono. Las disoluciones de buckminsterfulereno puro tienen un color púrpura intenso. El fulereno 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 fulerenos. El buckminsterfulereno no presenta “superaromaticidad”, es decir, los electrones de los anillos hexagonales no pueden deslocalizar en la molécula entera.
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 fulerenos en agua en concentraciones de 0,5 partes por millón, mostró que un tipo de salmón, el micropterus salmoides, sufrió un daño celular en el tejido cerebral diecisiete veces superior, cuarenta y ocho 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.
Una nueva y entera rama de la química se ha desarrollado para manipular la del fullereno, con consecuencias en diversas áreas como la astrofísica, la superconductividad y los materiales químicos y físicos. Además las propiedades del fullereno pueden ser estudiadas sistemáticamente. Es posible producir sales superconductoras de C60, nuevos polímeros tridimensionales, nuevos catalizadores, nuevos materiales y propiedades eléctricas y ópticas, sensores, etc. También se pueden formar delgados tubos con finales cerrados, nanotubos, ordenados de la misma manera que los fullerenos. Desde un punto de vista teórico el descubrimiento de los fullerenos ha influenciado bastante la concepción de dos problemas científicos tan separados como el ciclo del carbono galáctico y la aromaticidad clásica.
La ciencia de los materiales ha mostrado desde su descubrimiento un gran interés por las posibilidades de los fullerenos, dadas sus múltiples propiedades y la alta capacidad de proceso que presentan. Siguiendo estas líneas se han obtenido polímeros electro-activos, los cuales proporcionan reacciones de transferencia electrónica, y polímeros con propiedades de limitadores ópticos, trascendental en el campo de los láseres para evitar el deterioro de los materiales. Se espera así mismo obtener materiales muy adecuados para el recubrimiento de superficies, dispositivos fotoconductores y creación de nuevas redes moleculares. El campo de la biomedicina también se ha visto beneficiado por la aparición de los fullerenos. Destaca sin duda el estudio de las propiedades de ciertos derivados órgano-metálicos de los fullerenos solubles en agua, que han mostrado una actividad significativa contra los virus de inmunodeficiencia que provocan la enfermedad del SIDA, VIH-1 y VIH-2. También se baraja actualmente la posibilidad de incorporar fullereno en los procesos de fototerapia, que permitirían la destrucción de sistemas biológicos dañinos para los seres humanos. Dada la versatilidad química de los fullerenos, se espera que una profundización en el conocimiento de sus propiedades químicas y físicas conduzca pronto a la aparición de nuevas y prometedoras aplicaciones.
La estructura de cada uno de estos dos materiales, es decir, el orden interno de sus átomos, es lo que determina sus propiedades. El enlace en tres dimensiones de los átomos de carbono en el diamante da lugar a una estructura más robusta y por tanto a cristales más duros que en el caso del grafito. En este último el enlace se limita a las dos dimensiones de las capas, que pueden deslizarse fácilmente entre sí lo cual da lugar a un material blando que se usa como lubricante sólido.
Todo esto se sabe desde hace ya muchos años. Pero hace poco el carbono irrumpió con fuerza de nuevo en el mundo de los materiales gracias a una aparición estelar con nuevas ropas. El año 1985 se descubrió una nueva forma del carbono, de hecho una familia entera de nuevas formas. El primer miembro de esta familia y el mejor conocido es una forma con estructura esférica, compuesta por sesenta átomos de carbono. Esta bola de fórmula C60 se conoce también como "buckminsterfullerene" o simplemente "fullereno" en honor del ingeniero americano R. Buckminster Fuller. El ingeniero Fuller había diseñado, ya el año 1967, para la exposición en Montreal, una cúpula geodésica en la que usaba elementos hexagonales junto con alguno pentagonal para curvar la superficie. La molécula de fullereno es verdaderamente un asombroso conjunto de sesenta átomos de carbono, todos ellos equivalentes, indistinguibles, cada uno enlazado a otros tres carbonos, como en el grafito, pero con una topología peculiar, formando parte de dos hexágonos y un pentágono que da lugar a una estructura cerrada.
Los fullerenos o fulerenos son la tercera forma más estable del carbono, tras el diamante y el grafito. Como se menciono anteriormente, el primer fullereno se descubrió el año 1985 y, desde entonces, se han vuelto populares entre los químicos, tanto por su belleza estructural como por su versatilidad para la síntesis de nuevos compuestos, ya que se presentan en forma de esferas, elipsoides o cilindros. Los fullerenos esféricos reciben a menudo el nombre de buckyesferas y los cilíndricos el de buckytubos o nanotubos. Pocas veces a lo largo de la historia actual de la química, una investigación ha dado lugar de forma inesperada al descubrimiento de una familia de moléculas tan excepcional como es la de los fullerenos, que constituye una nueva forma alotrópica del carbono, además de grafito y diamante, y posee unas propiedades excepcionales. Particularmente destaca la geometría tridimensional altamente simétrica de estas moléculas. En concreto, la más pequeña y representativa de ellas, el fullereno C60, posee una geometría idéntica a la de un balón de fútbol. Las aplicaciones potenciales de estas moléculas pueden suponer una auténtica revolución en el mundo de la ciencia.
Hasta el siglo veinte, 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 sesenta, setenta o 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 fulerenos, en un experimento que consistió en hacer incidir un rayo laser 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 le concedió el premio Nobel de Química el año 1996, por su colaboración en el descubrimiento de esta clase de compuestos. El C60 y otros fulerenos fueron más adelante observados fuera del laboratorio. Hacia el año 1991, era relativamente fácil producir unos cuantos gramos de polvo de fulereno usando las técnicas de Donald Huffman y Wolfgang Krätschmer. La purificación del fulereno era un desafío para los químicos hasta hace poco cuando un equipo de investigadores españoles desarrolló un nuevo proceso de obtención. Los fulerenos endoédricos han incorporado, entre los átomos de la red, iones u otras moléculas más pequeñas. El fulereno es un reactivo habitual en muchas reacciones orgánicas como por ejemplo en la reacción de Bingel, descubierta el año 1993.
A comienzos del siglo veintiuno, las propiedades químicas y físicas de los fulerenos todavía están bajo intenso estudio, en laboratorios de investigación pura y aplicada. En abril del año 2003, se estaba estudiando el potencial uso medicinal de los fulerenos, fijando antibióticos específicos en su estructura para atacar bacterias resistentes y ciertas células cancerígenas, tales como el melanoma. Los fulerenos no son muy reactivos debido a la estabilidad de los enlaces tipo grafito, y es también muy poco soluble en la mayoría de disolventes. Entre los disolventes comunes para los fulerenos se incluyen el tolueno y de disulfuro de carbono. Las disoluciones de buckminsterfulereno puro tienen un color púrpura intenso. El fulereno 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 fulerenos. El buckminsterfulereno no presenta “superaromaticidad”, es decir, los electrones de los anillos hexagonales no pueden deslocalizar en la molécula entera.
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 fulerenos en agua en concentraciones de 0,5 partes por millón, mostró que un tipo de salmón, el micropterus salmoides, sufrió un daño celular en el tejido cerebral diecisiete veces superior, cuarenta y ocho 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.
Una nueva y entera rama de la química se ha desarrollado para manipular la del fullereno, con consecuencias en diversas áreas como la astrofísica, la superconductividad y los materiales químicos y físicos. Además las propiedades del fullereno pueden ser estudiadas sistemáticamente. Es posible producir sales superconductoras de C60, nuevos polímeros tridimensionales, nuevos catalizadores, nuevos materiales y propiedades eléctricas y ópticas, sensores, etc. También se pueden formar delgados tubos con finales cerrados, nanotubos, ordenados de la misma manera que los fullerenos. Desde un punto de vista teórico el descubrimiento de los fullerenos ha influenciado bastante la concepción de dos problemas científicos tan separados como el ciclo del carbono galáctico y la aromaticidad clásica.
La ciencia de los materiales ha mostrado desde su descubrimiento un gran interés por las posibilidades de los fullerenos, dadas sus múltiples propiedades y la alta capacidad de proceso que presentan. Siguiendo estas líneas se han obtenido polímeros electro-activos, los cuales proporcionan reacciones de transferencia electrónica, y polímeros con propiedades de limitadores ópticos, trascendental en el campo de los láseres para evitar el deterioro de los materiales. Se espera así mismo obtener materiales muy adecuados para el recubrimiento de superficies, dispositivos fotoconductores y creación de nuevas redes moleculares. El campo de la biomedicina también se ha visto beneficiado por la aparición de los fullerenos. Destaca sin duda el estudio de las propiedades de ciertos derivados órgano-metálicos de los fullerenos solubles en agua, que han mostrado una actividad significativa contra los virus de inmunodeficiencia que provocan la enfermedad del SIDA, VIH-1 y VIH-2. También se baraja actualmente la posibilidad de incorporar fullereno en los procesos de fototerapia, que permitirían la destrucción de sistemas biológicos dañinos para los seres humanos. Dada la versatilidad química de los fullerenos, se espera que una profundización en el conocimiento de sus propiedades químicas y físicas conduzca pronto a la aparición de nuevas y prometedoras aplicaciones.
Guillermo Choque Aspiazu
http://www.eldiario.net/
Julio 12 de 2010
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