Estructura química, propiedades y aplicaciones

Buckyballs o fullerenos son una clase de alótropo del elemento carbono infame por la determinación de su estructura. Comúnmente componen el hollín negro y liso que se encuentra comúnmente en hornos y chimeneas.

Aunque pueda parecer un artículo sobre Bucky Barnes de Marvel, no lo es. Se trata de algo aún más interesante del mundo de la química. Buckyballs o fullerenos o Buckminsterfullerenes es el nombre dado a un grupo de formas de carbono elemental recientemente descubiertas.

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¿Qué son las buckyballs o fullerenos?

Puede parecer difícil de creer, pero los fullerenos son moléculas que consisten en átomos de carbono en cantidades bastante grandes. Por lo general, consisten en 60 átomos de carbono que forman una molécula de buckyball. A veces, sin embargo, también puede ser de 70, 76, 84, 90, 94 o incluso más átomos de carbono.

Tienen una forma esférica tanto que, junto con su simetría y su forma esférica, se asemejan mucho a una pelota de fútbol. Esta estructura se llama icosaedro truncado en lenguaje técnico. Es un polígono de 60 vértices y 32 caras. 12 de estas caras son pentagonales y 20 son hexagonales.

Esta forma esférica y las interconexiones entre los átomos de carbono proporcionan una enorme estructura similar a una jaula para este alótropo de carbono. Esta estructura fue inicialmente difícil de adivinar. ¿Quién hubiera pensado que una molécula de 60 carbonos resultaría parecerse a algo tan simple como una pelota de fútbol?

Se podría suponer que el nombre “Buckminsterfullereno” se le ha dado como tributo al científico que lo descubrió, pero resulta que ese no es el caso en absoluto.

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La estructura del fullereno se asemeja a un domo geodésico como se muestra arriba. (Crédito de la foto: Philipp Hienstorfer/Wikimedia commons)

Buckminster Fuller es el nombre de un arquitecto reconocido por sus cúpulas geodésicas. Fueron estas cúpulas las que dieron una idea a los científicos sobre la estructura de los fullerenos. Y como homenaje, este grupo de compuestos lleva su nombre.

Descubrimiento de fullerenos

Los fullerenos fueron descubiertos accidentalmente, lo que llamamos serendipia. Un grupo de científicos estaba investigando sobre ciertas partículas que se encuentran en el espacio cuando se encontraron con este grupo de moléculas.

Los fullerenos fueron descubiertos en 1985 por el químico británico Harold W. Kroto de la Universidad de Sussex y los químicos de la Universidad de Rice Robert F. Curl y Richard E. Smalley. El equipo de investigadores utilizó la configuración experimental de Smalley, utilizada para cosas tan pequeñas como un grano de arroz, y comenzó sus experimentos. Necesitaban esto ya que los científicos estaban tratando con átomos y moléculas que son incluso más pequeños que un grano de arroz.

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El grafito se vaporizó para descubrir el buckminsterfullereno. (Crédito de la foto: Rvkamalov gmail.com/Shutterstock)

Se vaporizaron átomos de carbono a partir de grafito (otro alótropo del carbono) y se utilizó la técnica de espectroscopia de masas. A través de esto, se concluyó que los átomos de carbono vaporizados se juntaron para formar una molécula de 60 átomos de carbono.

También había otros grupos de un número diferente de átomos de carbono, pero se rompieron haciendo que las señales de espectroscopia de masas desaparecieran para ellos después de un tiempo.

¡Y así es como nació la idea de un alótropo de 60 átomos de carbono!

Propiedades químicas de los fullerenos

¡Descubrir la estructura del fullereno como un balón de fútbol fue una gran tarea porque este alótropo de carbono era ridículamente poco reactivo! E hizo que los científicos y los investigadores se rascaran la cabeza en cuanto a qué hace que esta enorme molécula sea tan enormemente inerte.

Resulta que los fullerenos tienden a ser tan inertes debido a su estructura cerrada en forma de jaula. Químicamente, estos grupos de moléculas son así porque no tienen ningún ‘enlace colgante’ o enlaces sueltos. Más simplemente, estos son solo enlaces libres que hacen que una molécula reaccione con otras especies.

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Lo anterior es una representación de la estructura del fullereno. Las esferas negras representan átomos de carbono. (Crédito de la foto: Ángel Soler Gollonet/Shutterstock)

Cada carbono está conectado al otro por dos enlaces simples y un enlace doble; tenga en cuenta que el número de enlaces que puede formar un átomo de carbono es cuatro. Buckyballs son solubles en disolventes orgánicos como el benceno. ¡Agitar el hollín compuesto de fullerenos con tolueno da como resultado una solución de color rojo!

Los buckminsterfullerenos se comportan como especies deficientes en electrones, prefiriendo reaccionar con especies ricas en electrones, por ejemplo, los halógenos o el grupo hidroxilo (grupo -OH). Cuando reaccionan con -OH, se convierten en ‘fullerenoles’.

Los fullerenos tienden a formar dos tipos de compuestos: exoédricos y endoédricos. La primera categoría comprende especies reactivas que están presentes fuera de la jaula y la última representa la situación dentro de la jaula.

Las especies exoédricas se sintetizan debido a una reacción química, principalmente una adición o una reacción redox, entre los fullerenos y otros grupos reactivos como el grupo –OH mencionado anteriormente.

Las especies endoédricas, por otro lado, se sintetizan cuando los complejos de metales de transición o metales como el lantano, el iridio, etc. quedan atrapados dentro de la jaula.

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Un fullereno endoédrico. La esfera azul representa un átomo extraño atrapado dentro de la jaula. (Crédito de la foto: Ángel Soler Gollonet/Shutterstock)

Entonces, aunque los fullerenos son en su mayoría no reactivos, se han fabricado, en lugar de sintetizarse.

Aplicaciones de fullerenos

Debido a su reciente descubrimiento y relativa inercia, no ha habido muchos establecimientos claros de las aplicaciones de los fullerenos. Sin embargo, hay aplicaciones previstas que se están probando.

Las bolas de Bucky son aislantes por naturaleza, pero se ha observado que también poseen propiedades conductoras y superconductoras en ciertas condiciones. ¡Estas propiedades, especialmente la propiedad superconductora, conducirían a un uso inmenso en el futuro, especialmente en transistores y chips! (no los que comes)

Cuando te das cuenta de que la química tiene un balón de fútbol propio

La estructura de los buckyballs se parece mucho a un balón de fútbol.

También hay algunos usos terapéuticos que pueden tener los fullerenos. Los fullerenos que tienen átomos de metal enjaulados dentro de ellos se utilizan en MRI y rayos X como agentes de contraste. Esto se debe a que estos metalofullerenos son inofensivos para el cuerpo humano. Permanecen en el cuerpo durante aproximadamente una hora, lo que ayuda a obtener imágenes del interior del cuerpo.

No solo en los laboratorios de diagnóstico, también se ha descubierto que los fullerenos poseen propiedades anti-VIH que, si se explotan adecuadamente, serían uno de los mayores usos en la ciencia médica.

Los derivados de fullereno se localizan de manera ventajosa, lo que los hace adecuados para el tratamiento de la osteoporosis. No solo esto, algunos de los derivados también han demostrado tener propiedades antimicrobianas.

Conclusión

A pesar de que los fullerenos se han descubierto recientemente y su estructura nos ha asombrado, todavía hay muchas aplicaciones que deben experimentarse e investigarse. ¡De qué otra manera estos alótropos con lindos títulos se volverían prácticamente efectivos para la humanidad! ¡Y no solo las chimeneas y los hornos, incluso los alimentos quemados pueden contener fullereno en forma de hollín!

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