«Fullertubes»: la nueva forma cristalina del carbono

El carbono puede presentarse como uno de los materiales más duros de la naturaleza o tan blando que los niños lo utilizan para dibujar sobre papel. Hace algunas décadas, los científicos comenzaron a preguntarse: ¿qué otras formas cristalinas además del diamante y el grafito podría tener el carbono?

En 1985 obtuvieron la primera respuesta. Un grupo de químicos descubrió pequeñas esferas huecas de 60 átomos de carbono a las que llamaron buckminsterfullerenos, o buckyballs o fullerenos para abreviar. (Los cristales se parecían a las cúpulas geodésicas popularizadas por el arquitecto R. Buckminster Fuller). Estas esferas a nanoescala abrieron un nuevo campo de la química, y los investigadores comenzaron a descubrir las propiedades y aplicaciones de lo que se ha dado en llamar «la molécula». más hermosa».

Se descubrieron fullerenos más grandes y unos años más tarde se Artículo por el físico japonés Sumio Iijima ha despertado interés en una forma relacionada de carbono. Estas nuevas estructuras se llamaron originalmente buckytubes, pero ahora se conocen como nanotubos de carbono: cilindros huecos hechos de redes de átomos de carbono en forma de panal, enrollados como rollos de papel higiénico de cartón.

Los cristales de carbono tenían un espectro de propiedades eléctricas, químicas y físicas que ningún otro elemento parecía poseer. El entusiasmo por las nanociencias del carbono siguió creciendo cuando los tres descubridores de las bolas de bucky, Robert Curl, Harold Kroto y Richard Smalley, recibieron el Premio Nobel de Química de 1996. Luego, en 2004, los físicos Andre Geim y Konstantin Novoselov encontraron una manera de aislar placas planas de átomos de carbono, una forma llamada grafeno, que inició otra ola de investigación en curso y les valió el Premio Nobel de Física 2010.

Los químicos han descubierto recientemente una estructura cristalina diferente para el carbono, pero esta vez con menos esfuerzo. La mayoría de los expertos que consultamos para escribir esto no lo sabían, y en este momento probablemente no sea más que unos pocos miligramos, la masa de un puñado de moscas, en cualquier parte del mundo.

Estas nuevas estructuras representan un cruce entre los fullerenos esféricos y los nanotubos cilíndricos. Según Harry Dorn, químico del Instituto Politécnico y la Universidad Estatal de Virginia que trabaja con Steven Stevenson, el investigador de la Universidad de Purdue que descubrió estas moléculas, son «una unión a escala nanométrica». y encapsulación de los dos.Stevenson y Dorn llamaron a estos cristales «fullertubes».

Los tubos Fuller combinan las mejores propiedades de los fullerenos y los nanotubos. O lo peor de ambos. O quizás un poco de lo bueno y un poco de lo malo de cada una de estas estructuras, según a quién le preguntes. Queda por ver si sus propiedades son útiles o no, lo que ya sucedió (y hasta cierto punto aún sucede) con sus parientes de carbono más famosos.

recibió tubos más llenos

El centro neurálgico de los Fullertubes se encuentra en un laboratorio de química del tamaño de una sala de estar en el campus de la Universidad de Purdue en Fort Wayne. Allí, Stevenson y su pequeño grupo de estudiantes recolectan y clasifican las nuevas moléculas, que consisten en cilindros de varios anchos y largos con extremos hemisféricos.

En 2020 Stevenson y su personal establecido el primer miembro de la familia fullertube, una molécula de 90 átomos que consta esencialmente de dos mitades de una bola de bucky conectadas por un nanotubo de 30 átomos. Lo encontraron junto con dos variantes más grandes, que contenían 96 y 100 átomos de carbono.

Este año, Stevenson y Dorn describieron dos tubos llenos más, ambos con 120 átomos de carbono. tuyo Educación muestran que la más estrecha de estas moléculas capsulares conduce la electricidad, mientras que la más ancha y corta es un semiconductor, por lo que podría ser útil en transistores y otros dispositivos electrónicos. Los tubos Fuller también poseen una amplia gama de propiedades elásticas y ópticas que aún no se han caracterizado.

James Heath, un investigador del Instituto de Biología de Sistemas de Seattle que ayudó a Curl y Smalley a aislar los primeros fullerenos durante su doctorado en 1985, llama a los fullertubes «hermosas estructuras» que siguen la misma regla geométrica que regía su apariencia en ese momento causada por los fullerenos: que doce pentágonos y un número par de hexágonos pueden formar una capa cerrada. (Los Buckyballs, por ejemplo, tienen la misma disposición de hexágonos y pentágonos que un balón de fútbol. Los Fullertubes siguen la misma regla pero agregan cinturones de hexágonos adicionales).

Durante años, estas moléculas han estado bajo las narices de los químicos, escondidas en el mismo hollín de carbono que fue la principal fuente de fullerenos. Finalmente, en 2020, Stevenson encontró una forma de extraer las cápsulas tubulares de los fullerenos mucho más abundantes. El proceso «mágico», en sus propias palabras, «reacciona para quitar cualquier cosa esférica para separar las esferas de los tubos».

Este hollín especial generalmente se crea al evaporar el carbono de las varillas de grafito contenidas en una cámara. A medida que el vapor de carbono se enfría al entrar en contacto con las paredes de la cámara, gran parte se condensa en fullerenos, pero también emergen algunos tubos más llenos, dispersos aquí y allá como gemas en un montón de escoria.

El truco de magia de Stevenson se basa en moléculas solubles en agua llamadas aminas que son atraídas a los puntos donde se encuentran los hexágonos y pentágonos de carbono, intersecciones que se encuentran en los fullerenos. Sin embargo, los nanotubos solo contienen hexágonos, por lo que las aminas no los reconocen; e incluso los Fullertubes están parcialmente protegidos gracias a su parte central con estructura de nanotubos. Así, mientras que la asociación de aminas con fullerenos los hace solubles en agua, aquellos tubos más llenos que no reaccionan permanecen insolubles. De esta manera, Stevenson solo necesita usar un poco de agua para eliminar los fullerenos y unir los fullertubes.

Luego alimenta sus muestras ricas en tubos llenos a máquinas que separan las moléculas en función de su masa y otras diferencias químicas sutiles para producir tubos más llenos más puros con masas, formas y propiedades homogéneas.

«El método de Steve es definitivamente fascinante», dice Ardemis Boghossian, químico de ETH Lausanne que trabaja con nanotubos. «Es un enfoque raro en nuestro campo y un poco más preciso».

Los expertos señalan que la capacidad de aislar muestras puras y uniformes de tubos más llenos los hace mucho más atractivos. Los fullerenos también se pueden aislar, pero carecen de las propiedades eléctricas y ópticas que hacen que los tubos llenos y los nanotubos sean prometedores como sensores basados ​​en luz o componentes de circuitos. 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, a veces incluso anidados dentro de los tubos. ¿Podrían los Fullertubes superar los obstáculos que enfrentan sus familiares?

¿Qué pasó con los Buckyballs?

En un artículo de 1991, Curl y Smalley imaginaron usos revolucionarios para el buckminsterfullereno, como nuevos superconductores, sistemas electrónicos y lubricantes a base de carbono. «La versatilidad del Material C₆₀ parece estar aumentando con las semanas”, escribieron.

Cinco años más tarde, en 1996, el Comité del Premio Nobel anunció que Curl, Kroto y Smalley habían recibido el Premio Nobel de Química por descubrir el buckminsterfullereno, con un presione soltar Dijo: «Aún no se han determinado las aplicaciones útiles, pero tampoco se puede esperar cuando las cantidades macroscópicas de fullerenos solo han estado disponibles durante seis años».

Ha pasado ya un cuarto de siglo y ninguno de los productos inicialmente imaginados ha llegado al mercado. Los únicos artículos comerciales en los que se encuentran buckyballs son los cosméticos y complementos alimenticios que explotan el potencial antioxidante de la molécula. Sin embargo, estos tipos de productos no requieren la aprobación de la Administración de Drogas y Alimentos de los EE. UU., y varios estudios de buckyballs han mostrado signos de toxicidad. (A aprender Él parece haberlos encontrado beneficiosos para la salud, al menos extendía la vida útil de los ratones que eran más ionizantes Estaban expuestos a la radiación, aunque otro Artículo no observó este efecto.)

Michael Crommie, físico de la Universidad de California, atribuye a los fullerenos la importancia primordial de allanar el camino para otras formas cristalinas de carbono. «Obtener buckyballs», argumenta, «condujo a los nanotubos y, finalmente, al grafeno».

Los nanotubos han tenido más éxito científico y comercial que los fullerenos. Puedes comprarlos en la tienda. hardware «nano-tape» o «gecko-tape», que usa cristales para pegarlo, como los lagartos usan pelos microscópicos en sus pies. Los nanotubos tienen una fuerza excepcional que podría superar al acero, pero nadie ha sido capaz de fabricar nanotubos lo suficientemente largos como para actuar como cables extrafuertes. Sin embargo, los nanotubos refuerzan tejidos, cascos de barcos, carrocerías de coches superduras y raquetas de tenis. También son muy populares para la filtración de agua y para mejorar el rendimiento de algunas baterías.

Aunque estas aplicaciones utilizan una gran cantidad de nanotubos de diferentes longitudes y diámetros, otras aplicaciones más revolucionarias, como los nanosensores de precisión, requerirían nanotubos idénticos entre sí. Dos sensores hechos con diferentes nanotubos, por ejemplo, también reaccionan de manera diferente al mismo estímulo. Los dispositivos electrónicos requieren componentes consistentes para funcionar de manera predecible.

“No podemos aislar los nanotubos”, lamenta Boghossian. “Quizás quien encuentre una forma sencilla de producir nanotubos puros obtenga el premio Nobel”, al igual que Geim y Novoselov recibieron el premio de física no por el descubrimiento del grafeno, sino por su aislamiento.

Investigadores como YuHuang Wang de la Universidad de Maryland están desarrollando uno sistema cortar nanotubos largos en fragmentos de longitud específica, una técnica de arriba hacia abajo que comienza con la mezcla de nanotubos para crear una colección de piezas idénticas. Otros expertos están tratando de crear nanotubos en un proceso de abajo hacia arriba, átomo por átomo, pero es una opción defectuosa y costosa.

Crommie cree que el verdadero potencial de los nanomateriales de carbono radica en el grafeno, que se compone de capas discretas y uniformes. Según él, la mejor ruta para la electrónica y los dispositivos magnéticos a base de carbono es cortar tiras de grafeno en formas útiles; una técnica que se ha utilizado para crear instrumentos electrónicos complejos en el laboratorio.

Los primeros pasos del tubo más lleno

¿Qué papel podrían jugar los Fullertubes, si los hubiera? Debido a que sus cristales son homogéneos y pueden ser conductores o semiconductores, Stevenson y Dorn imaginan que podrían unirse como piezas de Lego a nanoescala para crear mecanismos electrónicos en miniatura.

Boghossian introduce nanotubos en las células para examinar el interior mediante fluorescencia. Estas moléculas absorben luz de un color y la emiten de otro, y este cambio revela información sobre las propiedades de las células. Sin embargo, esta propiedad depende de la estructura de los nanotubos, lo que complica la interpretación de las señales debido a su diversidad. Los tubos llenos más cortos no emiten fluorescencia, pero los más largos sí. Si incluso tubos más llenos y más largos mejoraran esta propiedad, serían de gran ayuda para estudios como el de Boghossian. “Creo que será muy útil para aplicaciones optoelectrónicas”, comentó.

Si miramos las publicaciones científicas, a fecha de 2020 los fullerenos se mencionan en 22.700 artículos, los nanotubos aparecen en 93.000 y el grafeno recibe más de 200.000 referencias. En la actualidad el número de publicaciones relevantes existentes sobre Fullertubes es de 94.

Eventualmente, Boghossian dice que más investigadores cambiarán a tubos más completos a medida que los estudios descubran propiedades similares a las de los nanotubos, con el beneficio adicional de su longitud precisa. Sin embargo, “lleva un tiempo acostumbrarse porque la gente ha estado trabajando con nanotubos [y otras formas del carbono] toda su vida».

James R. Riordon/Revista cuántica

Artículo Traducido de Research and Science con permiso de QuantaMagazine.org, una publicación independiente financiada por la Fundación Simons para avanzar en la comprensión de la ciencia.