14 de Enero de 2023
Materiales

«Fullertubos»: la nueva forma cristalina del carbono

Aunque la revolución que prometían los fullerenos nunca llegó a consumarse, algunos investigadores se han lanzado a explorar las propiedades de unos nuevos cristales de carbono conocidos como fullertubos.

Los fullertubos, descubiertos en 2020, pueden adoptar las propiedades de otras nanoestructuras de carbono según su longitud. [eugenesergeev/iStock]

El carbono se puede presentar como uno de los materiales más duros de la naturaleza o como uno tan blando que los niños lo usan para dibujar sobre el papel. Hace varias décadas, los científicos empezaron a preguntarse algo: aparte del diamante y el grafito, ¿qué otras formas cristalinas podría tener el carbono?

En 1985 obtuvieron la primera respuesta. Un grupo de químicos descubrió unas pequeñas esferas huecas constituidas por 60 átomos de carbono, a las que bautizaron como buckminsterfullerenos o, abreviado, buckybolas o fullerenos. (Los cristales se parecían a las cúpulas geodésicas popularizadas por el arquitecto R. Buckminster Fuller.) Estas esferas nanométricas impulsaron un nuevo campo de la química, y los investigadores se lanzaron a descubrir las propiedades y aplicaciones de la que se ha apodado «la molécula más hermosa».

Se descubrieron fullerenos más grandes y, unos años después, un artículo del físico japonés Sumio Iijima despertó el interés por una forma del carbono relacionada. Al principio, esas nuevas estructuras se denominaron buckytubos, pero ahora se conocen como nanotubos de carbono: cilindros huecos formados por redes de átomos de carbono con estructura de panal, las cuales están enrolladas como el tubo de cartón del papel de váter.

Los cristales de carbono tenían un espectro de propiedades eléctricas, químicas y físicas que ningún otro elemento parecía exhibir. El entusiasmo por la nanociencia del carbono se disparó aún más cuando los tres descubridores de las buckybolas, Robert Curl, Harold Kroto y Richard Smalley, recibieron el premio Nobel de química en 1996. Más tarde, en 2004, los físicos Andre Geim y Konstantin Novoselov hallaron la manera de aislar capas planas de átomos de carbono, una forma llamada grafeno, lo cual motivó otra oleada de investigaciones que aún persiste y les granjeó el Nobel de física en 2010.

Hace poco los químicos descubrieron otra estructura cristalina del carbono, aunque esta vez con menos revuelo. La mayoría de los expertos a quienes consultamos para escribir este texto ni siquiera la conocían todavía y, por el momento, es probable que en todo el mundo no haya más de unos miligramos, la masa de un puñado de moscas.

Esas nuevas estructuras representan un punto intermedio entre los fullerenos esféricos y los nanotubos cilíndricos. Son «una unión a escala nanométrica» y con forma de cápsula de ambos, según Harry Dorn, químico del Instituto Politécnico y la Universidad Estatal de Virginia que colabora con Steven Stevenson, el investigador de la Universidad Purdue que descubrió estas moléculas. Stevenson y Dorn han llamado a estos cristales «fullertubos».

Los fullertubos combinan las mejores características de los fullerenos y los nanotubos. O las peores de ambos. O quizá un poco de lo bueno y un poco de lo malo de cada una de esas estructuras, según a quién preguntes. Aún está por ver si sus propiedades son útiles y para qué, algo que ya pasó (y, de algún modo, aún pasa) con sus parientes de carbono más famosos.

La obtención de fullertubos

El punto neurálgico de los fullertubos se encuentra en un laboratorio de química del tamaño de una sala de estar, situado en el campus de Fort Wayne de la Universidad Purdue. Allí, Stevenson y su pequeño equipo de estudiantes obtienen y clasifican las nuevas moléculas, que consisten en cilindros de anchura y longitud variable con extremos semiesféricos.

En 2020, Stevenson y sus colaboradores presentaron el primer miembro de la familia de los fullertubos, una molécula de 90 átomos que, en esencia, consta de dos mitades de una buckybola conectadas por un nanotubo de 30 átomos. La encontraron junto a dos variantes más grandes de 96 y 100 átomos de carbono.

Este año, Stevenson y Dorn han descrito otros dos fullertubos, ambos de 120 átomos de carbono. Sus estudios muestran que la más estrecha de estas moléculas con forma de cápsula conduce la electricidad, mientras que la más ancha y corta es un semiconductor, por lo que podría llegar a ser útil en transistores y otros aparatos electrónicos. Los fullertubos también poseen una amplia gama de propiedades ópticas y elásticas que todavía se están caracterizando.

[Merrill Sherman/<em>Quanta Magazine</em>]

James Heath, investigador del Instituto de Biología de Sistemas de Seattle que ayudó a aislar los primeros fullerenos en 1985 durante su doctorado con Curl y Smalley, considera que los fullertubos son unas «estructuras preciosas» que siguen la misma regla geométrica que les llevó, en su día, a buscar los fullerenos: la de que doce pentágonos y un número par de hexágonos pueden formar una cáscara cerrada. (Las buckybolas, por ejemplo, tienen la misma disposición de hexágonos y pentágonos que una pelota de fútbol. Los fullertubos siguen esa misma regla, pero añaden cinturones de hexágonos adicionales.)

Durante años, estas moléculas han estado delante de las narices de los químicos, escondidas en el mismo hollín de carbono que ha sido la principal fuente de fullerenos. En 2020, Stevenson encontró al fin la manera de extraer las cápsulas tubulares de entre los fullerenos, mucho más abundantes. El proceso «mágico», en sus propias palabras, consiste en «eliminar todo lo esférico mediante una reacción, a fin de separar las bolas de los tubos».

Ese hollín especial se suele generar vaporizando el carbono de las barras de grafito contenidas en una cámara. Cuando el vapor de carbono se enfría en contacto con las paredes de la cámara, gran parte de él se condensa en forma de fullerenos, pero también surgen unos pocos fullertubos esparcidos aquí y allá, como piedras preciosas en una montaña de escoria.

El truco de magia de Stevenson se basa en unas moléculas solubles en agua llamadas aminas, que se ven atraídas a los lugares donde confluyen hexágonos y pentágonos de carbono, intersecciones que aparecen por doquier en los fullerenos. Sin embargo, los nanotubos solo contienen hexágonos, así que pasan desapercibidos para las aminas; y los fullertubos también están parcialmente protegidos de ellas, gracias a su sección media con estructura de nanotubo. Por lo tanto, mientras que la unión de las aminas con los fullerenos los hace solubles en agua, aquellos fullertubos que no reaccionan permanecen insolubles. De este modo, a Stevenson le basta con usar un poco de agua para eliminar los fullerenos y quedarse con los fullertubos.

Luego introduce sus muestras ricas en fullertubos en máquinas que separan las moléculas en función de su masa y otras sutiles diferencias químicas, para conseguir conjuntos puros de fullertubos con masas, formas y propiedades homogéneas.

«El método de Steve sin duda es fascinante», valora Ardemis Boghossian, química de la Escuela Politécnica Federal de Lausana que trabaja con nanotubos. «Es un enfoque poco común en nuestro campo, y un poco más preciso.»

Los expertos señalan que la capacidad de aislar muestras puras y uniformes de fullertubos los torna mucho más atractivos. Los fullerenos también se pueden aislar, pero carecen de las propiedades eléctricas y ópticas que hacen que los fullertubos y nanotubos sean prometedores como componentes de circuitos o de sensores basados en la luz. Mientras tanto, la pureza sigue siendo un sueño para los especialistas en nanotubos, que a menudo trabajan con un revoltijo de tubos de longitudes y diámetros aleatorios, donde llega a haber hasta tubos alojados dentro de otros. ¿Podrían los fullertubos superar los obstáculos que atormentan a sus parientes?

¿Qué fue de las buckybolas?

En un artículo de 1991, Curl y Smalley imaginaron aplicaciones revolucionarias de los buckminsterfullerenos, como nuevos superconductores, sistemas electrónicos y lubricantes basados en el carbono. «La versatilidad del material C60 parece ir en aumento a medida que transcurren las semanas», escribieron.

Cinco años más tarde, en 1996, el comité del premio Nobel anunció que Curl, Kroto y Smalley habían sido galardonados con el Nobel de química por el descubrimiento de los buckminsterfullerenos, con una nota de prensa en la que se leía: «Todavía no se han determinado aplicaciones útiles, pero tampoco se puede esperar eso cuando solo hace seis años que hay cantidades macroscópicas de fullerenos disponibles».

Ya ha pasado un cuarto de siglo y ninguno de los productos que imaginaron al principio ha llegado al mercado. Los únicos artículos comerciales en los que se podrían encontrar buckybolas son cosméticos y suplementos alimenticios, que capitalizan el potencial antioxidante de la molécula. No obstante, este tipo de productos no requieren la aprobación de la Agencia Federal de Alimentos y Fármacos estadounidense y varios estudios sobre buckybolas han mostrado indicios de toxicidad. (Un estudio parece que les encontró beneficios para la salud, por lo menos expandir la esperanza de vida de ratones expuestos a radiación ionizante, aunque otro artículo no observó este efecto.)

Michael Crommie, físico de la Universidad de California, atribuye a los fullerenos la importancia principal de abrir el camino a las otras formas cristalinas del carbono. «La obtención de las buckybolas», argumenta, «llevó a los nanotubos y, con el tiempo, al grafeno».

Los nanotubos han tenido más éxito científico y comercial que los fullerenos. Los puedes adquirir en la ferretería, en la «cinta adhesiva nano» o «cinta adhesiva geco», que usa los cristales para la adhesión del mismo modo que las lagartijas usan pelos microscópicos en sus pies. Los nanotubos tienen una fuerza extraordinaria que podría superar el acero, pero nadie ha conseguido fabricar nanotubos de longitud suficiente para actuar de cableado extra fuerte. Aun así, los nanotubos refuerzan tejidos, cascos de embarcaciones, carrocerías de coche súper resistentes y raquetas de tenis. También son muy populares en filtración de agua y para mejorar el rendimiento de algunas baterías.

Aunque estas aplicaciones utilizan grandes cantidades de nanotubos de longitudes y diámetros dispares, otros usos más revolucionarios, como los nanosensores de precisión, requerirían nanotubos idénticos entre ellos. Dos sensores fabricados con diferentes nanotubos, por ejemplo, responderán de manera también diferente al mismo estímulo. Los dispositivos electrónicos necesitan componentes uniformes para funcionar de forma predecible.

«No podemos aislar los nanotubos», lamenta Boghossian. «Quizá la persona que encuentre un método sencillo para obtener nanotubos puros conseguirá el premio Nobel», igual que Geim y Novoselov ganaron el premio de física no por descubrir el grafeno, sino por aislarlo.

Investigadores como YuHuang Wang, de la Universidad de Maryland, están desarrollando un sistema para cortar nanotubos largos en fragmentos de longitudes específicas, una técnica descendente que parte de una mezcla de nanotubos para conseguir una colección de piezas idénticas. Otros expertos están intentando construir nanotubos con un proceso ascendente, átomo a átomo, pero es una opción con fallos y cara.

Crommie cree que el verdadero potencial de los nanomateriales de carbono se encuentra en el grafeno, consistente en capas únicas y uniformes. La mejor ruta hacia la electrónica y los dispositivos magnéticos basados en el carbono, a su parecer, es cortar tiras de grafeno y darles formas útiles; una técnica que ya ha producido instrumentos electrónicos complejos en el laboratorio.

Los primeros pasos de los fullertubos

¿Qué papel podrían tener los fullertubos, si es que tienen alguno? Como sus cristales son homogéneos y pueden ser conductores o semiconductores, Stevenson y Dorn intuyen que podrían encajarse como piezas de Lego nanoscópicas para crear mecanismos electrónicos en miniatura.

Boghossian introduce nanotubos en células para estudiar su interior gracias a la fluorescencia. Estas moléculas absorben la luz de un color y emiten en otro, y este cambio revela información sobre las características celulares. Sin embargo, esta propiedad depende de la estructura de los nanotubos, que, al ser diferentes entre ellos, dificultan la interpretación de las señales. Los fullertubos más cortos no presentan fluorescencia, pero los más largos muestran algunos indicios de ella. Si los fullertubos aún más largos mejoraran esta propiedad, serían una bendición para estudios como los de Boghossian. «Creo que será muy útil para las aplicaciones optoelectrónicas», comentó.

Si buscamos en publicaciones académicas, desde 2020 los fullerenos se han mencionado en 22.700 artículos, los nanotubos aparecen en 93.000 y el grafeno consigue más de 200.000 referencias. En este momento, el número de publicaciones relevantes existentes sobre los fullertubos es 94.

Según Boghossian, con el tiempo más investigadores se pasarán a los fullertubos si los estudios detectan propiedades parecidas a las de los nanotubos, con el beneficio añadido de sus longitudes precisas. Con todo, «es necesario un periodo de adaptación porque la gente ha trabajado con nanotubos [y otras formas del carbono] durante toda su vida».

James R. Riordon/Quanta Magazine 

Artículo traducido por Investigación y Ciencia con permiso de QuantaMagazine.org, una publicación independiente promovida por la Fundación Simons para potenciar la comprensión de la ciencia.

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