DE LA QUÍMICA INTERESTELAR AL NANOCOCHE: FULLERENOS Y ... · sabemos del universo, y a falta de lo que se vaya des- ... —elementos y compuestos— que existen en el espacio exterior

Rev.R.Acad.Cienc.Exact.Fís.Nat. (Esp)Vol. 103, Nº. 2, pp 323-339, 2009X Programa de Promoción de la Cultura Científica y Tecnológica

DE LA QUÍMICA INTERESTELAR AL NANOCOCHE: FULLERENOSY NANOTUBOSMIGUEL ÁNGEL ALARIO Y FRANCO *

* Real Academia de Ciencias Exactas, Físicas y Naturales. Valverde, 22. 28004 Madrid. Universidad Complutense, 28040 Madrid. [email protected]

INTRODUCCIÓN: ACERCA DE LAASTROQUÍMICA

Como ocurre con las demás Ciencias, se sobreen-tiende que la Química es de general aplicación en elUniverso. No obstante, lo que se conoce de la Químicafuera de la Tierra es una mínima fracción de lo quesabemos de ella en nuestro planeta. Más aun, de lo quesabemos del universo, y a falta de lo que se vaya des-cubriendo en los planetas extra-solares que comienzana encontrarse al aumentar la capacidad observacional,en particular gracias al telescopio Hubble, lo esencialdel Universo es hidrógeno y algo de helio. A pesar detodo, existe una rama de la Química, la Astroquímicaque consiste en el estudio de las especies químicas—elementos y compuestos— que existen en el espacioexterior más allá del Sistema Solar, en particular en loscuerpos celestes —estrellas, galaxias...— y en las

nubes de gas estelar así como de su formación y reac-tividad.

Todavía dentro del cosmos, en nuestro sistemasolar, en el propio astro rey se han encontrado varioselementos ligeros, Tabla 1, en cometas y bólidos seencuentran agua y granos de polvo y en los meteoritoshierro y níquel abundan. Pero esa es una Química ele-mental, en el doble sentido de tratarse de elementos yde su escasa complejidad.

En el espacio interestelar, sin embargo, además dehidrógeno, y por medio de los diferentes métodosespectroscópicos en todo el rango del espectro electro-magnético, se han ido descubriendo especies químicasque en las condiciones ambientales terrestres no seTabla 1. Composición elemental del Sol.

Tabla 2. Algunas especies químicas detectadas en el Espacio.

Rev.R.Acad.Cienc.Exact.Fís.Nat. (Esp), 2009; 103Miguel Ángel Alario y Franco324

encuentran, pero que, gracias a la irradiación cosmicay a las temperaturas intergalácticas, existen fuera denuestro entorno próximo. Dichas especies, un vez des-cubiertas, se pueden preparar en la Tierra mimetizandodichas condiciones o condiciones próximas. Perotambién se han descubierto moléculas análogas a lasexistentes en la Tierra. En un primer inventario, seconocen más de ciento veinte especies de esos tipos,algunas de las cuales se recogen en la Tabla II. En elpresente artículo, nos vamos a ocupar, en particular ycon cierto detalle, de una de ellas la molécula C60 des-cubierta de manera inesperada, que no casual1.

Capítulo aparte merece la posible existencia deaminoácidos en el espacio sobre la que han corridomuchas tintas contradictorias. El asunto es que, si efec-tivamente se encontraran aminoácidos en el espacio,podría pensarse que la vida habría venido de algún otrorincón del universo. Hay que decir a este respecto que,en todo caso, de la sola existencia de aminoácidos en elespacio no se puede inferir la existencia de vida enotros rincones del universo… Pero, además, de lo quese conoce hasta ahora en este tema, parece que no hayevidencia suficiente para dar por probada su propiaexistencia2. El origen de la vida es, obviamente, unasunto tan apasionante como complejo: sin temor aequivocarse, puede afirmarse que es el problema cien-tífico más importante que confronta la humanidadpero, a la vista de los conocimientos actuales, su reso-

lución, la contestación a esa pregunta, tendrá queesperar.

DESCUBRIMIENTO DE LOSFULLERENOS

La molécula de C60 se descubrió cundo el químicobritánico Harold Kroto buscaba cadenas carbonadaslargas poli-insaturadas del tipo:

Figura 1

Figura 2

HC5N: H C C C C C NHC7N: H C C C C C C C NHC9N: H C C C C C C C C C N

Efectivamente, Harry Kroto y su equipo estabantrabajando, en la Universidad de Susex en ese tema y,establecieron una colaboración con el grupo deRichard Smalley en la Universidad Rice, donde serealizaban experimentos para la vaporización delgrafito por medio de Laser, Figura 1a.

Tal y como se describe en la publicación3 que pos-teriormente les valdría el premio Nobel de Química en1996:

“During experiments aimed at understanding themechanisms by which long-chain carbon molecules are

formed in interstellar space and circumstellar shells,graphite has been vaporized by laser irradiation, pro-ducing a remarkably stable cluster consisting of 60carbon atoms”4.

Y continúa: “Concerning the question of what kindof 60-carbon atom structure might give rise to a supers-table species, we suggest a truncated icosahedron,Figura 2a, a polygon with 60 vertices and 32 faces, 12of which are pentagonal and 20 hexagonal”5.

Y, en relación con la estructura de dicha molé-cula: “This object is commonly encountered as thefootball shown in Figura 2b. The C60 molecule, whichresults when a carbon atom is placed at each vertex ofthis structure, has all valences satisfied by two singlebonds and one double bond, has many resonance struc-tures, and appears to be aromatic”6.

Ciertamente que el icosaedro truncado es unafigura conocida desde por lo menos, el quatrocento, enparticular gracias al trabajo del pintor y matemático

Miguel Ángel Alario y Franco Rev.R.Acad.Cienc.Exact.Fís.Nat. (Esp), 2009; 103 325

Figura 3

Figura 4

Piero de la Francesca y a la obra de algunos pintoresrenacentistas que lo representaron en alguno de suscuadros, Figura 3, utilizando un modelo de aristassólidas, o esqueleto, propuesto por Leonardo da Vinci.Pero nunca se había encontrado en una molécula. Noobstante, conviene señalar que, en 1970, Osawa7

observó que el hidrocarburo aromático coranuleno,C20H20, tenía la misma estructura cóncava que unbalón de futbol, por lo que sugirió que podría existiruna molécula cerrada análoga a dicho objeto. Pero alhaberlo publicado en una revista de reducida circu-lación, y en japonés, el artículo fue poco conocido. Porla misma época, Henson, trabajando en Harwell,propuso una estructura para esa molécula de C60 y, másaun, construyó un modelo. Pero tampoco fue aceptadaen ese momento.

Es interesante señalar que el espectro de masas delproducto obtenido por Kroto et al en la evaporacióndel grafito, en presencia de helio, era muy dependientede la presión de este y, una vez optimizado el experi-mento, Figura 4 mostraba dos picos correspondientesa las masas de 60 y 70 átomos de carbono, lo que sedebe a la presencia de dos especies químicas distintas:C60 y C70; si la primera presenta la misma forma queun balón de futbol, la segunda se asemeja a uno derugby…Figura 2c. En la Figura 5 se muestra la

primera imagen de dichas moléculas, depositadassobre una superficie, obtenida por medio de micros-copía de efecto túnel. Puede apreciarse la forma dife-renciada de ambas moléculas así como la tendenciaque muestran a empaquetarse de manera compacta,cada una rodeada por otras seis en el mismo plano.

Bien, pues, esta molécula, la más simétricaconocida, con 120 elementos de simetría entre los derotación, reflexión, inversión y el propio centro desimetría, puede cambiar, está cambiando en ciertomodo, el mundo ya que supone el origen de una nuevaciencia: la Nanociencia- una parte de la Ciencia quetrata de los fenómenos que tienen lugar en la escalananométrica (1 nm m) habitualmente se con-sideran dentro de ella los objetos de dimensiones com-prendidas entre 1 y 100 nm, y una nueva tecnología: laNanotecnología que utiliza esos fenómenos y esosmateriales para el desarrollo científico y tecnológico,ver más adelante.

Por cierto que las dimensiones de la molécula defullereno, C60, d 1 nm ( m: la milmillonésima demetro o, más precisamente, la millardésima demetro8), corresponden a 220 millonésimas de las de unbalón de fútbol, d 22 cm. O, dicho de otra manera, enese balón cabrían 1 1022 moléculas, esto es unadécima de mol de C60, o sea unos 2,2 litros.

De todos modos, la Nanociencia no es, en realidad,tan reciente si nos atenemos a una célebre conferenciadel no menos célebre físico norteamericano RichardFeynman en un congreso de la American PhysicalSociety en Caltech el 29 de Diciembre de 1959. En esaocasión, que para muchos es el arranque de laNanociencia, Feynman utilizó una frase hoy manida depuro célebre: “there is plenty of room at the botton”9 yen la que se refería a la posibilidad de manejar átomosy moléculas, desarrollando herramientas más y máspequeñas. Otros autores han ido perfilando y alimen-tando el concepto de nanociencia (según Wikipedia,algunos de estos científicos son: Norio Taniguchi10,Eric Drexler11, Jennifer Kahn12, P. Rodgers13, y unmuy largo etcétera) que hoy forma parte del acervo.También, una referencia a la nanoquímica apareció enun interesante y temprano artículo de revisión de mate-riales, en particular sulfuros laminares14; ver, más ade-lante, p 9 et seq.


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Figura 5

Al desarrollo de la nanotecnología ha contribuidoasí mismo el invento y posterior desarrollo de losmicroscopios de efecto túnel y sus derivados15, que nosolo permiten hacer observaciones en el nanomundosino, además, llevar a cabo manipulaciones de losnano-objetos y, en particular de átomos y moléculas yiones

PREPARACIÓN DE LOS FULLERENOS

Si el descubrimiento del C60 puede considerarse elalumbramiento de una nueva ciencia a través de unanueva familia de moléculas de gran importancia, quemotivó la concesión del Premio Nobel de Química asus descubridores, la preparación en cantidadesmacroscópicas de estas moléculas tuvo lugar posterior-mente por parte de Krashmer y Huffman16 quienesprepararon fullerenos por el que hoy es el métodoestándar de síntesis: haciendo saltar un arco voltaicoentre dos electrodos de grafito en una atmósfera dehelio, Figura 1b, seguido de un proceso de extracciónen benceno.

En realidad, no se trata de un simple par demoléculas diferentes, C60 y C70, se trata de toda unanueva familia de moléculas cerradas en la que se puede

deducir por consideraciones geométricas cuál es lamás pequeña, pero no cuál sería la más grande.

En efecto, de acuerdo con el Teorema de Euler, elnúmero característico, NC, de un poliedro regular esdos e igual al número de vértices más el de carasmenos el de aristas. De este modo, por ejemplo, en elcubo, NC 8 6 12 2. En el caso de los icosaedros


Figura 6 Figura 7

hay dos tipos de caras, pentágonos y hexágonos; elmenor icosaedro es el pentagonal que tiene doce carasy veinte vértices, por lo que si en cada uno de estos hayun átomo de carbono, la composición de la moléculaes C20. Experimentos llevados a cabo por Prinzbach etal17 han conseguido a través de un elaborado procesode síntesis, la preparción de C20 que presenta, al menoscinco isómeros, tres de los cuales se recogen en laFigura 6. De ellos, el de tipo jaula (1) corresponde almenor fullereno posible. Una molécula que no es par-ticularmente estable.

Como era de esperar, al cambiar el número deátomos de carbono cambian notablemente laspropiedades de los fullerenos, (conviene recordar aeste respecto que no hay dos especies químicasiguales) y como ejemplo de ello, en la Figura 7 serecoge un sencillo ejemplo del color de varios fulle-renos diferentes, en su solución en benceno.

En cuanto al fullereno más grande, no existeninguna regla para determinarlo y se han predicho laexistencia de especies muy voluminosas como C240que sería muy inerte debido a su amplio radio de cur-vatura18. Por otra parte, la combinación de hexágonosy pentágonos característica de los fullerenos, no esexclusiva de estas interesantes moléculas y hace cercade 100 años, el mineralogista D’arcy Tompsondescribió19 muy interesantes ejemplos de radiolarias,protozoos de esqueleto silíceo formados por dichospolígonos en proporciones variables, Figura 8. Ver, noobstante el apartado siguiente.

¿POR QUÉ SE LLAMAN FULLERENO YFULLERENOS?

Los fullerenos, como cada molécula, tienen unnombre específico que debe reflejar, en mayor o menormedida, su estructura. En el caso del C60, la realidad esque dicho nombre es extremadamente complejo y,aunque riguroso, poco práctico a la hora de utilizarloen la vida diaria. Por ello, los descubridores de lamisma, trataron de darle un nombre más sencillo ypara ello tuvieron en cuenta la obra del arquitectonorteamericano, de origen canadiense, RichardBuckminster-Fuller (1895-1983), Figura 9a y b. Esteinteresante filosofo y humanista, pero sobre todo,figura emblemática de la arquitectura y el diseño delsiglo XX y célebre por sus cúpulas construidas sobre labase de pentágonos y hexágonos, Figura 8c, parece elpersonaje más adecuado para representar a esa familiade moléculas que, nada más descubrirse se supuso—muy acertadamente— importante.

Así pues, Kroto, Smalley y sus colaboradoresdenominaron al C60 buckminsterfullereno, que prontose abrevió a su definición genérica actual de fullerenosy que si bien se escribe con doble l, la antigua elle, sepronuncia fulerenos para respetar la fonética original.

A la vista del edificio representativo del Pabellónde los Estados Unidos en la Exposición Universal deMontreal, de 1967, quizá la obra más conocida de


Figura 9

Figura 8

Buckminster-Fuller, recogida en la Figura 9 podemossuponer, algo metafóricamente, que este será, con todaprobabilidad, el fullereno más grande que llegue a fa-bricarse, ya que su dimensión ciclópea representa másde diez órdenes de magnitud la dimensión del C60.

NANOQUÍMICA Y NANOCIENCIA

Como en el caso de los superconductores de altatemperatura20 tras el descubrimiento del fullereno seprodujo una auténtica estampida y, en muchos labora-torios, se estudiaron a fondo las propiedades de estasmoléculas tan peculiares. Ello ha dado lugar al desa-rrollo de un nuevo tipo de Química, la nano-químicaque, como veremos enseguida, queda englobada den-tro del más amplio campo de las nano-ciencias.

A su vez, la nano-química tiene dos vertientes,Figura 10, según que la reactividad tenga lugar en elexterior de la molécula o en su interior; obviamentecabe la posibilidad, ya realizada, de que se produzcasimultáneamente en ambos medios: Se habla así denano-química exoédrica o exoquímica y nano-químicaendoédrica o endoquímica.

En el primer caso, y con ayuda de las ingeniosastécnicas de la química molecular, se ha conseguidollevar a cabo un número muy amplio de reacciones de


Figura 10

Figura 11

funcionalización o polimerización en los fullerenos.Un esquema de ello se recoge en la Figura 11 que es,pues, un ejemplo21 temprano de exoquímica. Andandoel tiempo, se han preparado multitud de especies aunmás complicadas, alguna de la cuales, se recogen en laFigura 12, que representa ejemplos de compuestos deintercalación, coordinación— organometálicos, y otrasespecies moleculares. Como era de esperar, estasespecies presentan propiedades muy interesantes entrela que destacan el magnetismo molecular y la super-conductividad, por citar un par de ejemplos. Laquímica endoédrica está algo menos desarrollada, perono por ello es menos interesante. Obviamente, altratarse del espacio interior, necesariamente másreducido, puede inferirse que hay menos posibilidades.Ello no obsta para que algunas de estas sean extrema-damente atractivas en cuanto a que se puedan usar, porejemplo, como vectores para el tratamiento local deafecciones específicas en biomedicina, utilizando can-tidades mucho menores de las habituales.

El primer ejemplo de esta química endoédrica con-sistió en la inclusión de lantano en C60, impregnandocon una disolución de LaCl3 el disco de grafito del

equipo de la Figura 1a. El proceso da lugar a laespecie química La@C60, donde el símbolo @ indicaque se trata de una especie endoédrica. En la Figura13a se recoge el espectro de masas correspondiente,donde se observa claramente la existencia diferenciadade una especie C60 con un átomo de lantano incluidoque se representa en la Figura 13b.

Posteriormente se han obtenido muchas más espe-cies, tales como:

Y@C60, Ba@C60, La@C60, Ce@C60, Pr@C60,Nd@C60, and Gd@C60 que son solubles en anilina22.

Los compuestos endoédricos presentan una intere-sante fotoreactividad y por foto-fragmentación vanperdiendo porciones carbonadas, haciéndose cada vezmás pequeño el fullereno y conservando en su interiorla especie endoédrica:

FOTOFRAGMENTACIÓN de K+@C60 y deCs+@C60:

K+@C60 K+@C58 K+@C56 K+@C54 ........K+@C44

Cs+@C60 Cs+@C58 Cs+@C56 @C54 ........Cs+@C48

Puede observarse que el límite inferior depende deltamaño de la especie intercalada —a veces llamadaintercalato.

No cabe hablar de la química del fullereno sin haceruna referencia, ya sea somera, a sus propiedades elec-trónicas y electroquímicas. Para ello, conviene


Figura 14Figura 13

Figura 12

recordar que en la molécula de C60, cada átomo decarbono está unido a otros tres por enlaces covalentes,análogos a los presentes en el grafito, (una molécula defullereno puede asimilarse a una porción de grafito consesenta átomos de carbono cerrada sobre sí misma) yaún queda un electrón por átomo que está repartidoentre los seis que forman los hexágonos. En el caso deuna molécula hexagonal con átomos de carbono, comoel benceno, C6H6, esos electrones están compartidos,deslocalizados entre los seis carbonos, dando lugar aun importante fenómeno denominado, aromaticidad.En el caso del fullereno, sin embargo, no se producedeslocalización en toda la molécula, lo que tiene quever con la curvatura de los enlaces que requiere la esfe-ricidad de la misma, de donde, por otra parte, procedeasí mismo la necesidad de los pentágonos.

Resultado de esta situación es que el diagrama deniveles de energía de los orbitales moleculares, Figura14 a, muestra niveles ocupados hasta el denominadoHOMO: Highest occupied molecular orbital, ultimo

orbital molecular ocupado y a continuación, y relati-vamente cercanos en energía, otros tres orbitales mole-culares vacíos en los que caben seis electrones, queconstituirían el nivel LUMO: lowest unocuppiedmolecular orbital: Primer orbital molecular vacío. Yla separación entre ambos, que equivale a la zanja oband gap en los semiconductores, es del orden de 2.0ev; por dar una idea para comparación, esto equivale aldoble del observado en el silicio y a dos tercios delcorrespondiente al rutilo a los que se considera, colo-quialmente, como semiconductor y aislante eléctricorespectivamente.

Bien, pues en la reducción electroquímica del C60,Figura 14b, se observan en el voltamograma entolueno, seis picos bien diferenciados reversibles queindican la existencia, en disolución, de hasta seisaniones fulleruro: , a los que correspondenpotenciales red-ox comprendidos entre 0.98 y 3.26V y que reflejan la ocupación paulatina de los tresorbitales moleculares t1 del LUMO. De la mismamanera, es posible oxidar al fullereno y se obtienen asídos cationes fullerenio , que corresponden ala eliminación de dos electrones del nivel HOMO.

Existe otra manera de modificar la configuraciónelectrónica del C60, por medio de la química de inter-calación, en la que, en analogía a lo que ocurre, porejemplo, en el grafito y en los denominados bronces dewolframio, se le hace reaccionar con diferentesespecies químicas, tales como los metales alcalinos.

C60 xM MxC60(x 1 6)

En estas condiciones, los iones alcalinos se inter-calan en los huecos de una estructura cúbica centradaen las caras de moléculas de C60, como la observada enla Figura 15 a y el fullereno se hace superconductor atemperaturas realmente altas para tratarse de mate-riales moleculares, aunque ciertamente lejos de losdenominados “cupratos superconductores” que llegana alcanzar temperaturas críticas de hasta cinco vecesmás altas que estos. Interesa señalar que cuando x 3 elmaterial no es superconductor y, así mismo, que eltamaño del metal intercalado es de fundamental impor-tancia para determinar las temperaturas críticas deestos superconductores. Así, la temperatura máxima delos compuestos de intercalación de los alcalinos, 32.5K, se obtiene para la especie: Rb2CsC60, Figura 15b.Por otra parte, si se sigue aumentando el tamaño del


Figura 15

n 1 6n60C

n 1,2n+60C

ión M, las moléculas de C60 se alejan entre sí, con loque la continuidad electrónica se pierde y, además, laestructura cambia a cúbica centrada en el cuerpo y elmaterial deja de ser superconductor.

Por cierto que, tras conocerse la estructura delsuperconductor K3C60, Linus Pauling publicó uninteresante artículo acerca del mecanismo de la super-conductividad, en lo que es uno de los últimosartículos científicos del más importante químico delsiglo XX, quien falleció a los 93 años en 199423. Elpropio Pauling, había utilizado el enlace entre losátomos de carbono en sus diferentes coordinacionespara desarrollar su fructífera teoría de la hibridación24.Valga este párrafo de modesto homenaje a ese gigantede la ciencia contemporánea.

NANOTUBOS Y ESPECIESRELACIONADAS

En un ejercicio ejemplar de curiosidad científicaque, muy probablemente, le permitirá conseguir elalgo aleatorio Premio Nobel, Sumio Ijima25, un muyconocido microscopista electrónico, decidió observarlos electrodos de grafito tras la fabricación defullerenos. Esa curiosidad le permitió descubrir unasespecies químicas carbonadas de estructura tubular ydimensiones nanométricas, Figura 16 a, que sedenominan nanotubos; al tratarse de especies cilín-dricas —o cónicas— concéntricas, el haz de electronesda lugar a imágenes de líneas equidistantes —o con-vergentes—, como sugiere la Figura 16 b. Especies


Figura 18Figura 16

Figura 17

análogas se conocían, sin embargo, hace más de ¡cienaños! Cuando Hughes and Chambers habían patentadoy Schützenberger and Schützenberger publicado26 lapreparación de unas especies de carbón filamentosoque, tras su observación en el microscopio electrónicopor Radushkevich and Lukyanovich in 1950, Figuras17 a y b, resultan ser lo que ahora se denominan nano-tubos NT (nanotubes: NT).

En la Figura 17 c pueden apreciarse las estrechasrelaciones entre el grafito y los nanotubos que, dehecho, pueden derivarse formalmente del arrolla-miento sobre sí misma de una o varias capas concén-tricas de grafito. Y pueden ser abiertos por amboslados, por solo uno, o cerrados, lo que requiere de lapresencia de pentágonos para conseguir el cierre de lascúpulas de los extremos.

Por cierto que, a una capa individual de grafito(esto es de un átomo de espesor) se la denominagrafeno —Figura 17 d— y constituye, en el momentoactual, uno de los temas de más interés en el estudiotanto teórico como experimental, de la materia con-densada27.

Volviendo a los nanotubos cabe señalar que por ladiferencia observada en sus propiedades se distinguendos tipos: Nanotubos monopared NTMoP (Singlewalled nanotubes: SWNT) y nanotubos multiparedNTMuP (multiwalled nanotubes: MWNT)28.

Con relación a los primeros, que resultan comodecíamos de arrollar sobre sí misma una lámina degrafeno, pueden ser de tres tipos, dependiendo delángulo de arrollamiento: en zig-zag, de hélice o quiraly en forma de silla, Figura 18. De ello resulta ademásla naturaleza de sus propiedades electrónicas, siendolos de tipo silla metálicos y semiconductores los dehélice. A menudo, y debido a las fuerzas de van derWaals, los nanotubos se asocian en agregados omanojos, dando lugar a cuerdas Figura 19.

En cuanto a los nanotubos multipared, presentanunas propiedades extraordinarias debido a su tambiénextraordinaria estructura y a la fortaleza del enlace: Setrata de materiales anisotrópicos y en la dirección deleje tienen propiedades mucho más interesantes que ensu deformación radial. En términos de deformación, setrata de los materiales con mayor límite elástico oresistencia a la tracción, 63 GPa, y muy elevadarigidez, esto es resistencia a la deformación, descu-biertos hasta ahora. Por lo que se pueden plegar,Figura 20.

ALGUNAS APLICACIONES DE LOSNANOTUBOS

Una de las primeras aplicaciones de los nanotubosde carbono fue la construcción de un nano-termómetrocon galio como líquido termométrico, Figura 21 a, loque permitiría su utilización en un amplio margen detemperatura: en principio entre 30 y 2403 ºC. Puedeobservarse que el aumento de la temperatura produceun apreciable incremento en la altura de la columna, yque existe una correlación lineal, Figura 21 d. Ademásel fenómeno es reversible.


Figura 19

Figura 20

De entre las muchas aplicaciones químicas de estasinteresantes especies que son los nanotubos, señala-remos su utilización como soporte de catalizadores. Eneste caso, se puede distinguir entre lo exoédrico, con elcatalizador depositado en el exterior del nanotubo, estoes en su superficie, lo que es esencialmente igual a uncatalizador habitual, o endoédrico, cuando las partícu-las metálicas están situadas en el interior del nanotubo,Un ejemplo ilustrativo de ello es la reacción delmonóxido de carbono y el hidrógeno que, en presenciade rodio, da lugar a la producción de etanol29:

Las figuras 22 a y b muestran los catalizadores exoé-drico y endoédrico respectivamente, al cabo de unas120 horas de funcionamiento, en la mencionadareacción30 pudiendo apreciarse claramente la situaciónde las partículas fuera y dentro del nanotubo. En laFigura 22c se muestra el rendimiento de la reacción enambos casos y puede observarse la gran diferencia afavor del catalizador endoédrico, lo que permite de-mostrar un notable efecto nanotubo.

OTROS NANO-OBJETOS

Cuando iniciábamos el apartado anterior, nos refe-ríamos a nanotubos y materiales relacionados. Por talentendemos una serie de especies químicas con formasinteresantes basadas todas en el plegamiento de capashexagonales de carbono con diferentes geometrías y


Figura 22

Figura 21

que han ido apareciendo al utilizar diferentes modifi-caciones al proceso de preparación. Sin pretensión deexhaustividad, nos parece interesante mencionaralgunos de ellos.

Nano-cebollas (nano-onions)

El primer ejemplo de nano cebollas fue descrito porUgarte31 y como se observa en la Figura 23 a, se tratade esferas concéntricas de carbono.

Las propias moléculas de C60, se unen entre sí porfuerzas de van der Waals, que son relativamentedébiles. Sin embargo, sustituyendo algunos de los car-bonos por átomos de nitrógeno, que poseen un electrónmás que los de carbono, se facilita la formación deenlaces covalentes, mucho más fuertes, entre lasesferas. De ese modo se han preparado especies comolos azo-fullerenos , del tipo C48N12, Figura 23 b queinducen la formación de pentágonos y facilitan la cur-vatura de la lámina de grafeno. Por este procedimiento,también se han obtenido nano-cebollas con un núcleointerno de C48N12. Por otra parte, en un trabajoreciente, se han utilizado nano-cebollas y nano-tubosde carbono en un tratamiento cito-tóxico de célulascancerígenas con aparente éxito en animales32.

Nano-cuernos y nano-conos

Los nano-cuernos fueron también descubiertos porIjima y consisten en tubos cerrados por un extremo.

Pueden ser de una o varias paredes, mientras que losnano-conos tienen la geometría del cono Figura 23 c;también tiene aplicaciones terapéuticas como vectoresde fármacos.

Nano-guisantes

Aquí se trata de una combinación híbrida defullerenos dentro de nanotubos, endoédrica, pues,Figura 23 d. Y se espera que, de esta combinación,resulten interesantes propiedades de transporte eléctri-co y magnético.

Nano-brotes (nano-buds)

Se trata de otra combinación híbrida entre nanotu-bos y fullerenos pero exoédrica recurrentementedescrita por Esko Kaupinen et al33 Figura 23 e.

LOS NANO-COCHES

Para terminar esta exposición hemos recogido unejemplo muy interesante de las propiedades queofrecen los fullerenos en la síntesis de especies mole-culares complicadas. Se trata de la síntesis de dosmoléculas que representan en la nano-escala elsímbolo quizá más destacado de la civilización occi-dental actual: el automóvil. Veamos pues la síntesis dedos vehículos uno sin motor y otro realmenteautomóvil. La figura 24 recoge el complicado procesode síntesis del primer nanocoche, realizado en laUniversidad Rice —la misma en la que se encontraronlos fullerenos al vaporizar grafito, referencia 3.

La Figura 25a muestra una imagen de variosnanocoches depositados sobre una superficie de oro enorientación (111). La Figura 25b, muestra una amplia-ción de la anterior en la que se distinguen el chasis ylas ruedas, tal y como recoge el modelo de la Figura25c. Por su parte, la Figura 26 muestra la trayectoriade uno de los nanocoches bajo la influencia de la puntadel microscopio de fuerza atómica que tira de él. Setrata pues de un vehículo de sirga o arrastre34.

En una publicación posterior, Morin et al, con undiseño más sencillo en el que el chasis y los ejes lo


Figura 23

forma un oligo(fenileno etinileno) y, utilizando comoruedas carboranos en lugar de fullerenos, procura unmotor molecular que, bajo la influencia de radiaciónadecuada, gira en torno al eje y, a modo de palanca,procura el desplazamiento del vehículo que, en estecaso sí se puede considerar automóvil. Por cierto quela energía que le mueve procede de la radiación elec-tromagnética de 365 nm que se le suministra35.

A MODO DE CONCLUSIÓN

Las páginas que anteceden ponen de manifiesto,una vez más, la importancia, de la a veces llamadaciencia básica en la también denominada, con ciertadisplicencia, ciencia aplicada. En realidad, como yaseñaló Pasteur, no hay Ciencia Básica y CienciaAplicada: Hay Ciencia y aplicaciones de la Ciencia.Cabe incluso transponer el debate a la investigación.Como acabamos de ver, una investigación funda-mental en Astroquímica, en los espacios inter e intra-galáctico, Figura 27, llevaron al descubrimiento deuna molécula la C60, que ha dado lugar al desarrollo dela nanociencia y la nanotecnología. No es desde luego,


Figura 24

Figura 25

el único factor origen de ambas artes, puesto que,como veíamos anteriormente, esos términos nano yahabían sido utilizados en tiempos anteriores al des-cubrimiento de Kroto et al. No obstante, la con-tribución de Kroto et al ha sido fundamental en eldesarrollo de ambas. Más aun, en tiempos antiguos seutilizaba la nanotecnología a la manera del BurguésGentilhombre: sin saberlo. Ejemplo son de ello lacélebre copa de Licurgo, Figura 28, un bellísimoobjeto realizado en vidrio dicroico y que presenta colordiferente cuando se la observa con luz reflejada(verde) que con luz transmitida (rojo), construida enRoma en el siglo IV de nuestra era. El origen deldicroísmo está en nano partículas metálicas dispersasen el vidrio. Materiales análogos se encuentran en lasvidrieras medievales como en el, más reciente, vitraldel rosetón de la catedral de Notre Dame de París. Estetipo de nanopartículas de oro y plata coloidales se estu-diaron por vez primera de manera sistemática por elgran Michael Faraday.


Figura 27

Figura 28

Figura 26

Ello no obstante, en el lenguaje coloquial, se diceque algo ha alcanzado la mayoría de edad cuando esdel dominio público. Ciertamente que no creemos queen el momento actual, el gran público sea conocedorde fullerenos, nanotubos y las otras especies químicasrelacionadas. No obstante, los productos nano se vanintroduciendo poco a poco, pero de manera crecienteen nuestra vida diaria, en el comercio y en laindustria36: Pinturas, recubrimientos, tejidos, materialdeportivo, quirúrgico, materiales para envasado de ali-mentos y fármacos y un largo etcétera, van incluyendopaulatinamente nanocomponentes y, en el mundo cien-tífico el estudio de lo nano va progresando en cantidady calidad de manera imparable37.

AGRADECIMIENTOS

El autor agradece las conversaciones mantenidascon el profesor H. Kroto (Universidad de Florida), enlos momentos iniciales del descubrimiento de losfullerenos y al profesor Emilio Morán (UCM) por suscomentarios al manuscrito.

REFERENCIAS Y BIBLIOGRAFÍA

1. Para este tipo de acontecimientos, bastante más fre-cuente de lo que se podría pensar, el término serendi-pity fue inventado por Walpole a partir de un cuentopersa en el que las protagonistas hacían descubri-mientos fortuitos y afortunados. Serendipia podríaser una traducción aceptable. Pero, al menos en cien-cia una vez que la serendipia ocurre hay que sercapaz de interpretarla adecuadamente.

2. Recientemente, la NASA ha reportado la presenciade glicina en el cometa WILD 2, dentro del sistemasolar.

3. H. W. Kroto, J. R. Heath, S. C. O'Brien, R. F. Curl& R. E. Smalley. C60: Buckminsterfullerene,Nature 318, 162 - 163 (1985).

4. En el curso de experimentos dirigidos a a compren-der el mecanismo deformación de moléculas carbo-nadas de cadena larga en el espacio interestelar y enlas regiones circunestelares, se ha evaporado grafitopor irradiación con láser , produciéndose un cúmulomuy notable con sesenta átomos de carbono.

5. En relación con la cuestión de qué tipo de estructuraatómica con sesenta átomos de carbono puede dar

lugar a una especie tan excepcionalmente estable,sugerimos la de un icosaedro truncado: Un poliedrocon 60 vértices y 32 caras, 12 de las cuales son pen-tagonales y las otras 20 hexagonales

6. Este objeto se encuentra habitualmente como elbalón de futbol que se muestra en la figura 2c. Lamolécula de C60, que resulta de “colocar” un átomode carbono en cada uno de sus vértices, tiene todassus valencias satisfechas por dos enlaces simples yuno doble, presenta muchas estructuras resonantes yparece ser aromática.

7. Special issue commemorating the thirtieth anniver-sary of Eiji Osawa's C60 paper. J.Mol Graph Model.19(2) 181-274 (2001)

8. El término en inglés billion, equivale al francésmilliard y, en español se solía referir como mil millo-nes; sin embargo, la expresión adecuada es el millar-do. El billón español es, por su parte, un millón demillones o mil millardos.

9. Literalmente, “al fondo hay sitio”10. N. Taniguchi (1974). On the Basic Concept of 'Nano-

Technology. Proc. Intl. Conf. Prod. London, Part IIBritish Society of Precision Engineering.

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21. Referencia de la Figura 1022. Yoshihiro Kubozono, et al: J. Am. Chem. Soc., 1996,

118 (29), pp 6998–699923. Linus Pauling:Proc. Nati. Acad. Sci. USA Vol. 88, pp.

9208-9209, October 1991 Chemistry24. Pauling, L. The Nature of the Chemical Bond.

Cornell University Press, 193925. El Dr. Sumuio Ijima recibió el Premio Príncipe de

Asturias en 2006, junto con otros cuatro científicosextranjeros, todos ellos expertos en Estado Sólido yen Ciencia de Materiales

26. P. Schützenberger y L. Schützenberger C.R. Acad.Sci111, 774(1890)2. Véase además: Marc Monthioux yVladimir L. Kuznetsov : Who should be given thecredit for the discovery of carbon nanotubes? CAR-BON 44 (2006) 1621.

27. Véase, por ejemplo la revista: http://graphenetimes.com/

28. Cabe señalar aquí que, en esta época en que nos inva-den los acrónimos, a menudo referidos a otras len-guas, generalmente el inglés, no hay aún acuerdoacerca de qué siglas usar para abreviar las denomina-ciones de los nanotubos en sus diferentes variedades.Los acrónimos indicados en este artículo deben con-

siderarse pues provisionales.29. Bhasin, M. M, and, O'Connor, G. L: Belgian Patent

824822 y 824823: 197530. Xiulian Pan, Zhongli Fan, Wei Chen, Yunjie Ding,

Hongyuan Luo & Xinhe Bao:Enhanced ethanol pro-duction inside carbon-nanotube reactors containingcatalytic particles, Nature Materials 6, 507-511(2007)

31. Daniel Ugarte, Science 283, 1513 (1999)32. Ding, Stilwell, Zhang, Elboudwarej, Jiang, P.

Selegue, A. Cooke, W. Gray and Frank Chen.Molecular Characterization of the CytotoxicMechanism of Multiwall Carbon Nanotubes andNano-Onions on Human Skin Fibroblast.Nanoletters (2005)12, 2448-2464.

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35. Morin; Shirai; Tour, M. (2006). “En route to a moto-rised nanocar”. Org. Lett. 8: 1713.doi:10.1021/ol060445

36. Nanosee:http://www.yole.fr/pagesAn/products/pdf/NanoSEE_nano_material_market_flyer.pdf.

37. J. L. Delgado, M. A. Herranz y N. Martín, Nano-forms of carbón. Chemical Science (instant insight) 5c33-c4o (2008). Ver también : Ibid: J. Mater. Chem.18, 1417 (2008).


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