Un Técnico Preocupado

Seguimos con la segunda parte de un magnifico articulo de José Carlos Canalda, una de esas personas que hace ciencia en nuestro país. Trabaja desde 1986 en el Consejo Superior de Investigaciones Científicas (C.S.I.C.) y como el mismo comenta en su web (que os recomiendo) es un incansable divulgador de estos temas.

La ciencia bien explicada no debería estar en manos de unos pocos. La ciencia nos pertenece a todos ya que ha sido la aportación durante generaciones la que ha posibilitado el llegar hasta aquí a unos pocos privilegiados que ahora intentan que creamos en ella como dogma de fe pero sin poder entender nada dado nuestro modelo educativo que valora mas recitar como papagayos que entender y razonar.

No me alargo mas, os dejo con este articulo, el cual sera dividido en dos partes dada la longitud del mismo. Espero que tras leer este articulo ya nadie dude de lo que es el Grafeno y a lo que puede llegar.

La sorprendente versatilidad del carbono
(I) Sus estados alotrópicos

Mucha más repercusión fuera de los círculos científicos alcanzaron los fullerenos, cuya fecha oficial de descubrimiento es 1985. Estos curiosos materiales están formados por redes hexagonales, o pentagonales, de carbonos similares a las del grafito, diferenciándose de éstas en que, en vez de ser planas, se curvan formando diversos poliedros. El símil más prosaico de los fullerenos es el de un balón de fútbol de reglamento, con su superficie seudoesférica formada por un mosaico de hexágonos y pentágonos intercalados, aunque se trata de uno solo de los distintos poliedros posibles.

C₆₀, el principal fullereno

Sus descubridores fueron, entre otros investigadores, Harold Kroto, Robert Curl y Richard Smalley, los cuales fueron galardonados con el Premio Nobel de Química en 1996. En cuanto a su nombre, éste es un homenaje al arquitecto norteamericano Richard Buckminster Fuller (1895-1983), famoso por diseñar unas espectaculares cúpulas geodésicas que recuerdan por su forma a las estructuras de los fullerenos.

Dado que la estructura de la capa electrónica de los átomos de carbono sólo permite la formación de determinadas configuraciones geométricas, que en el caso de los fullerenos son tan sólo hexágonos y pentágonos planos, o casi planos, el número posible de fullerenos es limitado, correspondiendo cada uno de ellos a un poliedro determinado. Puesto que los ángulos de un pentágono regular miden 108º, 12 menos que los de un hexágono, los enlaces entre los carbonos que los forman están algo forzados, pero esta dificultad queda compensada por la estabilidad que confiere la estructura poliédrica del conjunto.

El más importante de los fullerenos es el C₆₀, denominado así por contar con un total de sesenta átomos de carbono, los cuales forman una estructura constituida por 20 hexágonos y 20 pentágonos alternados, formando el balón de fútbol al que hice alusión. Por esta razón se le ha denominado con los informales nombres de futboleno o buckybola, aunque su nombre oficial, aparte del prosaico C₆₀, es el de buckminsterfulereno. Otro fullereno importante es el C₇₀, con diez átomos de carbono más y forma de balón de rugby, o de melón. También los hay más pequeños, como el C₂₀, con doce pentágonos y forma de dodecaedro regular, y más grandes, como el C₇₆, el C₈₄ y el C₅₄₀.

Todos ellos tienen en común ser estructuras geométricas cerradas y tridimensionales, aunque a diferencia del diamante todos los átomos de carbono se sitúan sobre la superficie, dejando vacío el volumen interior. Además el número de carbonos que los constituyen es siempre limitado y el mismo para cada uno de ellos, mientras que en el grafito o en el diamante las redes cristalinas bi o tridimensionales se extienden sin límite definido formando una única estructura.

Aunque lo reciente de su descubrimiento hace que sus aplicaciones tecnológicas sean todavía limitadas, se trabaja con ellos en varias líneas diferentes de investigación que van desde su posible uso en medicina hasta la posibilidad de utilizarlos para reacciones químicas exóticas, aprovechando su capacidad para enjaular en su interior átomos, moléculas o iones de otros elementos o compuestos químicos. Como curiosidad, cabe añadir que se han detectado fullerenos libres en algunas regiones del universo.

Estructura de un nanotubo de carbono

Emparentados con los fullerenos están los nanotubos de carbono, descritos por vez primera por Suomo Iijima en 1991. La estructura de ambos es similar, pero a diferencia de los fullerenos los nanotubos no forman poliedros sino, como su nombre indica, tubos de tamaño nanométrico, un millón de veces menores que un milímetro. Volviendo a nuestros símiles un nanotubo sería algo así como un barquillo, con una o varias láminas de grafeno enrolladas en forma de cilindro. Dependiendo de la manera en la que se enrollan, o del número de capas que los forman, existen diversos tipos de nanotubos, siendo los principales los nanotubos monocapa, los haces de nanotubos monocapa y los nanotubos multicapa. Los primeros están formados por una única capa, y a su vez se subdividen en varias categorías según sea la distribución geométrica de los hexágonos que la componen. Los segundos serían algo así como un haz de macarrones -crudos, evidentemente- y los terceros, por último, están formados por un conjunto de varias capas concéntricas enrolladas en torno al eje común, envolviendo cada una de ellas a todas las interiores.

Diversas variantes de los nanotubos monocapa (izquierda) y estructura de los nanotubos multicapa (derecha)

Los nanotubos, al igual que los barquillos o los macarrones con los que los hemos comparado, tienen ambos extremos abiertos. En cuanto a sus aplicaciones tecnológicas, están siendo intensamente investigados ya que resultan prometedores en varios ámbitos de la industria, desde la medicina hasta la electrónica y la informática, pasando por algunas tan prosaicas como la automovilística o la aeronáutica.

Más exóticas que los anteriores resultan ser las nanoespumas (nanofoams) de carbono, descubiertas en 1997 por el equipo encabezado por Andrei V. Rode. Tal como indica su nombre tienen una estructura porosa o, por decirlo con mayor propiedad, nanoporosa. Su densidad es muy baja, y su comportamiento similar al de un aerogel.

Estructura del grafeno

Y por fin llegamos al grafeno, varias veces citado en el artículo. El grafeno, como ya apunté, es simplemente una lámina única de grafito, algo que, pese a ser descrito teóricamente en la década de 1930, no pudo ser aislado -el grafito presenta múltiples láminas apiladas- hasta 2004, trabajo que les valió el Premio Nobel de Física de 2010 a a Andre Geim y Konstantin Novoselov. En contra de lo que pudiera parecer, el grafeno aislado presenta interesantes propiedades sobre el grafito normal, amén de ser la materia prima potencial para la fabricación de otros alótropos del carbono. Aunque todavía es demasiado pronto para hablar de aplicaciones tecnológicas consolidadas, el grafeno se apunta como el candidato ideal para crear una nueva generación de chips informáticos en sustitución de los actuales de silicio.

Nanocilindros de carbono vistos al microscopio

De 2005 datan los nanocilindros de carbono, nanorods en inglés. Sometiendo a los fullerenos a altas presiones (200.000 atmósferas) y altas temperaturas (2.200 grados centígrados), un equipo de físicos alemanes encabezado por Natalia Dubrovinskaia logró convertirlos en nanocilindros, pequeños hilos de unos pocos nanometros -un nanometro es la millonésima parte de un milímetro- de espesor. Los nanocilindros se diferencian de los nanotubos en que su estructura no es grafítica, sino similar al diamante -son una especie de agregados de diamante-, siendo incluso más duros que éste. También se les conoce como nanodiamantes o hiperdiamantes.

Diversas estructuras de nanoyemas de carbono

En 2007 aparecieron las nanoyemas de carbono, o nanobuds en la terminología inglesa. Descritas por vez primera por un equipo de investigadores finlandeses formado por Esko Kauppinen, David Brown, Nasibulin Albert y Jiang Hua, se puede definir a las nanoyemas como estructuras híbridas entre los nanotubos y los fullerenos, con las estructuras poliédricas de los segundos ancladas en las paredes de los primeros. Sus propiedades físicas son asimismo una combinación de las de ambos, lo cual les proporciona interesantes expectativas de uso.

Simulación por ordenador de una lámina de grafino

Actualmente se está investigando sobre diversos derivados del grafeno, muchos de los cuales todavía no han pasado de la fase de los modelos teóricos, siendo el más importante de ellos el grafino. Aunque la estructura básica del grafino es también una lámina plana formada por una red de átomos de carbono, se diferencia del grafeno en que los anillos hexagonales no están contiguos, sino enlazados a través de cadenas lineales formadas por dos carbonos acetilénicos; puesto que explico este tipo de enlaces en el artículo correspondiente a la química del carbono, no me extenderé aquí. El resultado no es ya un diseño en forma de panal de abeja, sino otro más complejo con dos tipos diferentes de huecos, los hexágonos y otros, alternados con éstos, de mayor tamaño y forma aproximadamente triangular, el cual recuerda bastante a algunos tipos de redes de pesca. Jugando con la longitud de las cadenas acetilénicas se pueden conseguir otras estructuras similares pero con diferentes tamaños de huecos, lo que en teoría permitiría ajustar prácticamente a medida las propiedades físicas y tecnológicas de estos compuestos… aunque de momento no se haya conseguido sintetizarlos.

Todavía existen algunos otros alótropos del carbono de menor importancia, al menos por el momento, tales como el carbono vítreo, el carbono acetilénico lineal o el carbono metálico. pero con lo dicho hasta ahora es suficiente… aunque quizá no lo sea en un futuro. En cualquier caso, el carbono demuestra que es capaz de darnos muchas sorpresas.