Las buckybolas, nanopartículas con superpoderes

Nuestra vida no sería la misma sin carbono. Este elemento es la base de toda la vida que conocemos, e incluso se suele asumir que, de existir vida fuera de la tierra, también tendría que estar basada en el carbono. Puede formar más compuestos que ningún otro elemento, y su estudio constituye toda una rama de la química: la química orgánica.

Incluso en su forma pura, sin combinar con otros elementos, el carbono puede formar estructuras tan diversas como las propiedades que adquiere en cada una. No hay más que comparar el grafito (el de las minas de los lápices) con el diamante (el de los anillos, y también el de las sierras). Ambos son carbono puro, pero sus estructuras son diferentes. Es decir, son distintos alótropos. El grafito consiste en capas finísimas, dispuestas una sobre otra, que se desprenden fácilmente sobre el papel formando el trazo del lápiz. El diamante, en cambio, tiene una estructura cristalina que lo hace durísimo, muy resistente y capaz de cortar o pulir cualquier otro material.

Un nano-balón de fútbol

Tal es su potencial que muchas personas se han preguntado si el carbono era capaz de formar otras estructuras. Dos químicos predijeron hacia 1970 que podría haber una estructura estable para el carbono más allá del grafito y el diamante, y fue en 1985 cuando un equipo de la Universidad de Rice, en Texas, EEUU, confirmó la predicción en el laboratorio. Se trataba del C60, una molécula de 60 átomos de carbono que tiene la forma de un balón de fútbol. Por este descubrimiento, Robert Curl, Harold Kroto y Richard Smalley recibieron el Premio Nobel de Química en 1996. Debido al límite de tres personas en estos premios, los dos investigadores más jóvenes del equipo, James R. Heath y Sean O’Brien, se quedaron fuera.

El equipo de Rice no tenía previsto sintetizar precisamente esta molécula. Estaban observando qué pasaba al vaporizar muestras de diversas sustancias usando un pulso de láser tan breve como potente que las convertía en gas, y a continuación ionizarlas (quitándoles unos cuantos electrones) con otro láser. Probaron con el carbono y obtuvieron una molécula de 60 átomos más o menos esférica.

Pero ¿cuál era su forma exacta? Construyeron modelos con gominolas y palillos de dientes, intentaron modelizarlo en el ordenador, cogieron papel y celo… y por fin dieron con los 20 hexágonos y 12 pentágonos que conforman el icosaedro truncado. Esta es la forma de los balones de fútbol, y también la de las cúpulas geodésicas que diseñó el arquitecto Buckminster Fuller para la Expo 67 en Montreal. Por eso las bautizaron como buckminsterfullerenos, o buckybolas para abreviar.

Batiendo récords

Las buckybolas tienen propiedades muy llamativas. Son muy estables y, gracias a los enlaces covalentes entre los átomos de carbono, son muy duras. Aceptan fácilmente electrones sueltos de su entorno, algo que puede resultar útil para fabricar paneles solares más eficientes, y aguantan temperaturas y presiones altísimas. Por si le faltaban méritos, la molécula C60 se puede comportar como partícula o como onda, es decir, puede exhibir fenómenos cuánticos. Es el objeto más grande sobre el que se ha observado esta propiedad.

No es este el único récord que baten las buckybolas. Una molécula C60 con un injerto de potasio es un superconductor incluso a -221ºC, que, aunque parezca muy fría, es la mayor temperatura de cualquier superconductor basado en el carbono. Los superconductores conducen la electricidad sin perder calor, por lo que tienen numerosísimas aplicaciones tecnológicas. Cuanto más alta sea la temperatura a la que se logre establecer la superconductividad, más fácil será desarrollar estas aplicaciones. Y, en la tecnología más cotidiana, las buckybolas podrían llegar a remplazar al silicio como componentes de los chips.

También ganan por goleada en su simetría. Y es que hay carbono más allá del grafito, el diamante y las buckybolas: de hecho, hay toda una familia de fullerenos, moléculas de carbono dispuesto en forma aproximada de esfera, elipsoide, cilindro o anillo. Los nanotubos parecen prometedores por sus aplicaciones a la electrónica, la óptica y la nanotecnología. Pero en cuestión de simetría, las buckybolas se llevan la palma. Cada átomo de carbono está enlazado a otros tres, y está en el vértice de un pentágono y dos hexágonos.

Otro récord: su resiliencia. Ni el partido de nano-pádel más agresivo sería capaz de acabar con una buckybola, ya que resisten tranquilamente un impacto a 24.000 kilómetros por hora contra una pared de acero inoxidable. Esta es la propiedad que se necesita en el propelente de los cohetes, y se investiga si las buckybolas podrían utilizarse como combustible.

También extraterrestres

Se habla de enviarlas al espacio, pero ellas ya llegaron allí antes. Aunque las primeras buckybolas conocidas eran artificiales, su estructura no fue algo buscado, sino que el carbono adquirió la forma de balón de fútbol de manera espontánea una vez sometido a la vaporización e ionización. Por eso se sospechaba que las buckybolas podrían ocurrir en la naturaleza y no solo en el laboratorio. La sospecha se confirmó en 1991, cuando se encontraron estas moléculas en el hollín proveniente de benceno y oxígeno.

Pero la sorpresa vino en 2010, cuando también se hallaron en el espacio. El telescopio espacial Spitzer, de la NASA, detectó buckybolas en un gas proveniente de una estrella al final de su vida. Las observaciones se confirmaron en 2012, y en 2019 incluso se observaron estas moléculas flotando por el espacio entre estrellas.

Hasta entonces se pensaba que el espacio interestelar estaba poblado solo por moléculas ligeras, de entre uno y diez átomos. Se creía que la radiación intensa de una estrella en extinción eliminaría cualquier molécula más grande. Pues bien, las buckybolas, con sus nada menos que 60 átomos, dieron un revés a esta suposición. De hecho, recreando la situación en el laboratorio, se vio que podría ser precisamente esta radiación la que formara las buckybolas. Las estrellas moribundas dejan un rastro de carburo de silicio, y la radiación que emiten en el proceso separaría el silicio y generaría así las moléculas de C60.

Pero las buckybolas tienen un talón de Aquiles. Tan embaucadoras son que se ha llegado a pensar que podrían formar una carcasa en la que meter medicamentos y enviarlos directamente a las células. Pero precisamente su capacidad de penetrar en las células podría ser tóxica, más aún si estas nanopartículas se exponen a la luz.

Su toxicidad se sigue investigando, y habrá que esperar a más experimentos para concluir si son seguras para usos médicos. Pero no nos dejemos desmoralizar por esta posible contrariedad. Las buckybolas han revolucionado la física de materiales, la astroquímica y la nanotecnología. Con este palmarés, su impacto no ha hecho más que empezar.

QUE NO TE LA CUELEN:

• El diamante es muy duro, pero no es el material más duro que se conoce. Por ejemplo, el nitruro de boro en forma de cristal de wurtzita es un 18% más duro. Bajo presión, las buckybolas también se vuelven más duras que el diamante. Pero la medalla de oro se la lleva otro alótropo del carbono que consiste en una sola capa de grafito: el grafeno. Es el material más duro que se conoce en proporción a su grosor.

REFERENCIAS (MLA):

• Smalley, Richard E. “Nobel Lecture: Discovering The Fullerenes.” Nobelprize.Org, 1996, https://www.nobelprize.org/prizes/chemistry/1996/smalley/lecture/.
• Kroto, H. W. et al. “C60: Buckminsterfullerene”. Nature, vol 318, no. 6042, 1985, pp. 162-163. Springer Science And Business Media LLC, doi:10.1038/318162a0. https://doi.org/10.1038/318162a0
• Bernal, J. J. et al. “Formation Of Interstellar C60 From Silicon Carbide Circumstellar Grains”. The Astrophysical Journal, vol 883, no. 2, 2019, p. L43. American Astronomical Society, doi:10.3847/2041-8213/ab4206.