Un Técnico Preocupado

Diamante (izquierda) y grafito (derecha), los dos principales estados alotrópicos del carbono

Hasta hace relativamente pocos años, los libros de texto decían que existían dos estados alotrópicos distintos del carbono, el diamante y el grafito, y tan sólo los más especializados añadían un tanto dubitativamente a un tercero, el negro de humo o negro de carbono, en realidad una variante pulverulenta del grafito. En cuanto al carbón en sus diferentes variantes, aunque también está compuesto mayoritariamente de carbono, es químicamente impuro, por lo cual podemos olvidarnos de él sin ningún remordimiento de conciencia.

Antes de seguir adelante quizá sea conveniente hacer una aclaración. Los químicos denominamos alotropía al fenómeno mediante el cual un elemento químico se puede presentar en dos o más formas distintas; se trata de algo similar, hasta cierto punto, a la isomería, con la diferencia de que ésta se da en compuestos, mientras la alotropía es propia de los elementos químicos puros.

Conviene no confundir alótropo con isótopo, ya que el primer término alude a la forma en la que se agregan los átomos -normalmente no tenemos uno, sino una acumulación de muchos-, mientras los isótopos muestran diferencias en su estructura nuclear, con el mismo número de protones y electrones -que es lo que caracteriza a un elemento químico determinado- pero con diferente cantidad de neutrones.

Por definición dos alótropos tienen idéntica composición química, la del elemento en cuestión, diferenciándose tan sólo en la forma en la que sus átomos, o sus moléculas, están ordenados… lo cual en ocasiones es suficiente para que sus propiedades físicas -no las químicas- varíen espectacularmente de uno a otro.

Éste es el caso, precisamente, del diamante y el grafito. Pese a que ambos son carbono puro, es evidente que nadie confundiría un diamante con un pedazo de grafito… ¿a qué se debe, pues, tan llamativa diferencia?

Estructura cristalina del diamante

La explicación está en la forma en que se agregan los átomos de carbono en uno y otro. En el diamante cada átomo está unido a otros cuatro por fuertes enlaces químicos formando un tetraedro. Puesto que cada uno de estos cuatro átomos está unido a su vez a otros tantos formando sendos tetraedros, de todo ello resulta una red cristalina muy compacta que es la que da al diamante sus principales características, en especial su extrema dureza.

Pasemos ahora al grafito. El carbono tiene la particularidad de poder formar varios tipos de enlaces distintos, un fenómeno sobre el que no me extenderé aquí puesto que merece ser tratado en un artículo aparte. En consecuencia los átomos no se distribuyen, como en el caso anterior, en una red tridimensional tetraédrica, sino en una red hexagonal plana. Ahora cada átomo de carbono no está rodeado por cuatro átomos por arriba y por abajo, sino que cada seis de ellos forman un hexágono regular que a su vez está rodeado por otros hexágonos, creando algo parecido a un mosaico cuyas piezas son estas figuras geométricas. A su vez estas láminas se apilan entre sí formando algo que podríamos comparar con un hojaldre; es esto último a lo que llamamos grafito, ya que una lámina aislada -el grafeno del que hablaremos más adelante- es tan delgada -tiene aproximadamente el espesor de un átomo- que no ha podido ser obtenida de forma aislada sino hasta fechas muy recientes.

Estructura cristalina del grafito

¿Por qué razón, a diferencia del diamante, el grafito es tan blando? La explicación la da su propia estructura. Romper la red de hexágonos es difícil, pero separar las láminas resulta mucho más fácil, dado que las fuerzas que las unen son mucho más débiles que las existentes entre los carbonos de una misma capa… o de un cristal de diamante. Volviendo a la analogía del hojaldre, es inmediato deducir que resulta mucho más sencillo separar las hojas con un cuchillo que intentar partirlo en sentido transversal sin destrozarlo.

Esta diferencia entre ambas estructuras cristalinas marca también sus otras propiedades además de la dureza. El diamante es transparente y, cuando está libre de impurezas, también incoloro; el grafito, por el contrario, es negro. El diamante es un aislante eléctrico perfecto, mientras el grafito es conductor gracias a que su red hexagonal permite el movimiento libre de los electrones por ella, algo que no es posible en los rígidos enlaces tetraédricos del primero. Y el diamante es una joya, mientras el grafito se usa hasta en los lápices; esto último indica tanto la escasez de aquél como la abundancia de éste, a lo que se suma una serie de aplicaciones industriales inexistentes en los bonitos, pero tecnológicamente mucho más inútiles diamantes… salvo en lo referente a su dureza, por lo que los diamantes industriales, sin valor en joyería, se utilizan para perforar materiales asimismo muy duros.

Aclarado esto, ahora podemos volver al principio: desde hace unos años el número de estados alotrópicos del carbono se ha multiplicado notablemente, dando cabida a toda una serie de materiales sumamente interesantes tanto desde el punto de vista científico como en lo que respecta a sus posibles aplicaciones tecnológicas, lo cual no es precisamente moco de pavo. En realidad todos estos nuevos estados alotrópicos pueden considerarse derivados de las dos estructuras básicas del grafito -o del grafeno- y del diamante, lo que no es óbice para que su descubrimiento haya abierto nuevas vías de impredecibles consecuencias.

Las nanofibras de carbono vistas a través del microscopio electrónico

Desde un punto de vista cronológico el primero de ellos son las nanofibras de carbono, que pueden ser definidas como fibras de carbono amorfo, es decir, sin estructura cristalina definida, aunque en realidad son más bien agregados filamentosos de micropartículas de grafito distribuidas al azar. Fueron descritas por vez primera en 1953 por W.R. Davis, R.J. Slawson y G.R. Rigby, y durante mucho tiempo no pasaron de ser una curiosidad científica. Hoy, por el contrario, están siendo investigadas intensamente ya que, mezcladas en pequeñas cantidades con materiales aislantes tales como ciertos tipos de plásticos, confieren a éstos conductividad eléctrica, un fenómeno con interesantes aplicaciones prácticas.

Estructura cristalina de la lonsdaleíta

De 1967 data el hallazgo de la lonsdaleíta, en esta ocasión emparentada con el diamante aunque con una estructura cristalina distinta, hexagonal en vez de la tetraédrica de éste. Esta red hexagonal es tridimensional, lo que la diferencia de la red plana del grafito. Se trata de un material exótico que se ha encontrado tan sólo en pequeñas trazas asociadas a impactos meteóricos, por lo que su interés no pasa de ser académico, aunque según algunos estudios sería todavía más dura que el diamante. Debe su extraño nombre a la cristalógrafa irlandesa Kathleen Lonsdale (1903-1971).

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