Historia de los fullerenos

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Un fullereno es un alótropo del carbono cuya molécula está formada por átomos de carbono conectados por enlaces simples y dobles para formar una malla cerrada o parcialmente cerrada, con anillos fusionados de cinco a siete átomos.

La molécula puede ser una esfera hueca, un elipsoide, un tubo o muchas otras formas y tamaños. El grafeno (capas atómicas aisladas de grafito), que es una malla plana de anillos hexagonales regulares, puede considerarse un miembro extremo de la familia.


Los fullerenos con forma cerrada se denotan informalmente por su fórmula empírica Cn, a menudo escrita Cn, donde n es el número de átomos de carbono. Sin embargo, para algunos valores de n puede haber más de un isómero.

La familia recibe su nombre del buckminsterfullereno (C60), el miembro más famoso, que a su vez recibe el nombre de Buckminster Fuller. Los fullerenos cerrados, especialmente el C60, también se denominan informalmente buckyballs por su parecido con el balón estándar del fútbol. Los fullerenos cerrados anidados han recibido el nombre de cebollas bucky. Los fullerenos cilíndricos también se denominan nanotubos de carbono o buckytubes. La forma sólida a granel de los fullerenos puros o mezclados se denomina fullerita.

El equipo que descubrió los fullerenos frente al edificio de ciencias espaciales de la Universidad de Rice. De izquierda a derecha: Sean O'Brien, Richard Smalley, Robert Curl, Harry Kroto y James Heath.
El equipo que descubrió los fullerenos frente al edificio de ciencias espaciales de la Universidad de Rice. De izquierda a derecha: Sean O’Brien, Richard Smalley, Robert Curl, Harry Kroto y James Heath. Cortesía del Instituto Richard E. Smalley de Nanociencia y Tecnología de la Universidad de Rice.

Los fullerenos se preveían desde hacía tiempo, pero sólo tras su síntesis accidental en 1985 se detectaron en la naturaleza y en el espacio exterior. El descubrimiento de los fullerenos amplió enormemente el número de alótropos del carbono conocidos, que hasta entonces se limitaba al grafito, el diamante y el carbono amorfo, como el hollín y el carbón vegetal. Han sido objeto de intensas investigaciones, tanto por su química como por sus aplicaciones tecnológicas, especialmente en la ciencia de los materiales, la electrónica y la nanotecnología.


Una idea y una máquina

El carbono, base de la vida, es uno de los elementos más comunes y uno de los más estudiados; comprende toda la disciplina de la química orgánica. El estudio del carbono puro no parece tan apasionante para la mayoría de los químicos. En 1984, Richard Smalley no se mostró muy entusiasmado cuando recibió una petición de Harry Kroto, químico de la Universidad de Sussex, para utilizar el equipo del laboratorio de Smalley en la Universidad de Rice para estudiar un tipo especial de molécula de carbono.

“En retrospectiva”, escribe Kroto, “…parece que he estado fascinado por varios aspectos peculiares de la química del carbono durante gran parte de mi carrera investigadora”. Kroto quería investigar los orígenes de las moléculas de cadena lineal de carbono largas que él, junto con radioastrónomos canadienses, había descubierto en el espacio interestelar varios años antes.

Kroto estaba convencido de que estas inusuales y largas moléculas flexibles se habían creado en las atmósferas de las estrellas gigantes rojas ricas en carbono y quería probar esta afirmación utilizando el aparato de rayos láser supersónicos de Smalley. Este experimento también podría ser un piloto preliminar para un experimento bastante más complicado que podría resolver un viejo rompecabezas de la astronomía: los portadores de las misteriosas y ahora legendarias bandas interestelares difusas. El descubrimiento de los fullerenos hizo que se dejara de lado el proyecto de las bandas interestelares de cadenas de carbono, pero otros lo han seguido, hasta ahora sin resultados positivos.

Los cúmulos de cualquier elemento pueden estudiarse en el AP2 (pronunciado app-dos), el nombre coloquial de la máquina de Smalley. Los operadores disparan un intenso pulso de láser a un objetivo, que crea un vapor caliente sobre él. El láser genera temperaturas que alcanzan decenas de miles de grados, más calientes que las superficies de la mayoría de las estrellas. Cuando el vapor se enfría, los átomos evaporados se alinean en grupos. Una ráfaga de gas a alta presión barre el vapor a través de la máquina hasta una cámara de vacío, donde los racimos comienzan a condensarse a medida que el vapor se enfría. Un segundo pulso de láser ioniza los cúmulos y los empuja a un espectrómetro de masas, donde se analizan los cúmulos.

Descubrimiento de los fullerenos

En 1984, Kroto conoció a Robert Curl, un viejo amigo, en una conferencia en Austin (Texas). Curl le habló a Kroto de su colaboración con Smalley en el estudio de los grupos de átomos en la máquina de Smalley. Kroto estaba intrigado y acompañó a Curl de vuelta a Houston, donde examinó la máquina e inmediatamente vio la posibilidad de introducir carbono en ella para explorar su teoría sobre la formación de cadenas de carbono en la atmósfera de las estrellas. Smalley estaba menos intrigado. Él y Curl estaban ocupados estudiando los cúmulos de semiconductores y en un principio se negó a hacerlo para liberar tiempo en el aparato.


C60 con la isosuperficie de densidad de electrones del estado básico calculada con DFT
C60 con la isosuperficie de densidad de electrones del estado básico calculada con DFT

La decepción de Kroto aumentó cuando se enteró de que un equipo de científicos del Laboratorio Científico de Investigación Corporativa de Exxon, en Annandale (Nueva Jersey), había realizado experimentos utilizando láseres para vaporizar grafito y formar grupos de carbono. Los científicos de Exxon, Eric Rohlfing, Donald Cox y Andrew Caldor, habían utilizado una máquina, similar a la AP2, construida por el grupo de Smalley en Rice. El equipo de Exxon descubrió que los grupos de carbono de más de cuarenta átomos tendían a ser un número par por alguna razón. “Como tratábamos de evitar el solapamiento y la competencia innecesarios con el grupo de Exxon”, escribió Smalley, “sus constantes avances en el campo fueron un desincentivo más para empezar a trabajar en los cúmulos de carbono en Rice”.

A pesar del trabajo de Exxon, Smalley cedió un año más tarde y aceptó que Kroto utilizara el aparato de haces. Curl telefoneó para preguntar si Kroto quería que el equipo de Rice realizara el experimento y le enviara los datos o si quería venir a Houston. Kroto dice que “una cosa era segura en mi mente: No había esperado tanto tiempo para que mis experimentos fuesen realizados por otros… “. Le “pellizcó” el dinero a su mujer, hizo las maletas y llegó a Houston unos días después, a finales de agosto.

Kroto, Smalley y Curl llevaron a cabo el estudio, con la ayuda de tres estudiantes graduados, James Heath, Sean O’Brien y Yuan Liu. El 23 de agosto, antes de la llegada de Kroto, Smalley hizo que los estudiantes cargaran carbono en el aparato como prueba de los nuevos experimentos. El 1 de septiembre, cuatro días después de que Kroto aterrizara en Houston, los experimentos comenzaron en serio. Los estudiantes hicieron funcionar el aparato con Kroto dirigiendo los experimentos. Dos resultados significativos surgieron de los febriles diez días de experimentos: en primer lugar, el equipo encontró, como dijo Smalley, “las largas serpientes de carbono de Kroto”; en segundo lugar, los científicos también observaron, siempre según Smalley, “una molécula de carbono puro desconocida hasta entonces”.

C60 en solución, su color característico es rosado y puede emplearse para diferenciarlo de otros fullerenos
C60 en solución, su color característico es rosado y puede emplearse para diferenciarlo de otros fullerenos

El cuaderno de laboratorio del 2 de septiembre anota primero la molécula desconocida. Luego, el miércoles 4 de septiembre, utilizando helio como gas portador, los estudiantes observaron, en palabras de Kroto, “algo bastante notable… que estaba ocurriendo”, un pico extraño en la medición de la espectroscopia de masas de las moléculas que se formaron en el vapor. El pico se produjo a sesenta átomos de carbono (también se produjo un pico más pequeño a setenta átomos). Yuan Liu anotó en el libro de laboratorio: “El C60 y el C70 son muy fuertes”, añadiendo un signo de exclamación y subrayando la entrada.


Desde el inicio de los experimentos, el equipo se reunió regularmente para analizar los datos. Ahora los científicos centraron las discusiones en el misterio del C60. Al principio, el grupo se refería a él como un wadge, un término británico para “un puñado de cosas”, con Smalley refiriéndose a el como wadge madre, y Kroto lo llamaba godwadge.

Determinando la estructura de los fullerenos

Como Kroto tenía que volver a Inglaterra a principios de la semana siguiente, Heath y O’Brien pasaron el fin de semana intentando averiguar las propiedades de la misteriosa molécula. Una cosa se hizo evidente: El C60 se formaba muy fácilmente y mostraba una estabilidad extraordinaria; en un caso, la AP2 produjo cuarenta veces más C60 que los conjuntos de carbono C58 o C62.

¿Cuál era la estructura de estos conjuntos? Al principio, los científicos se quedaron perplejos por la estabilidad de la molécula de sesenta carbonos que no reaccionaba con otras moléculas, lo que sugería que no tenía enlaces sobrantes. Todas las moléculas conocidas que contienen carbono, incluso el benceno, un anillo muy estable de átomos de carbono, tienen extremos que terminan con otros elementos. Pero el C60 era químicamente inerte; no necesitaba hidrógeno, ni ningún otro elemento, para completar sus enlaces.

El equipo consideró dos candidatos para la estructura del C60: un modelo llamado “flatlander” en el que el carbono se apilaba en láminas hexagonales, similar a la estructura del grafito, con los enlaces sobrantes enlazados de alguna manera; o una forma esférica en la que la lámina hexagonal de grafito se enroscaba y cerraba. Una estructura cerrada, una jaula, no tendría enlaces sobrantes.

Sello postal en honor a los 100 años del premio Nobel con dibujos de fullerenos
Sello postal en honor a los 100 años del premio Nobel con dibujos de fullerenos

Ninguno de los científicos del equipo recuerda quién fue el primero en sugerir una estructura cerrada. Kroto y Smalley discreparon más tarde sobre cuál de los dos impulsó la idea al principio y a quién se le ocurrió el nombre final del C60. En cuanto al nombre, buckminsterfullereno, Curl sólo dice: “Harry estaba convencido de que era su idea y Rick estaba convencido de que era su idea y yo estoy convencido de que no era mi idea”.


El lunes 9 de septiembre fue culminante. Los esferoides dominaron la discusión. En algún momento de la semana anterior se había hablado de Buckminster Fuller y sus cúpulas geodésicas. Kroto y Smalley pensaron que los hexágonos formaban la superficie de las cúpulas geodésicas. Entonces Kroto recordó una cúpula que hizo una vez para sus hijos; le dijo a Smalley que tenía facetas pentagonales además de hexagonales, pero no estaba seguro. Además, estaba escondida en un armario en su casa de Inglaterra. Kroto también recordaba haber visitado la famosa cúpula geodésica de Fuller en la Expo 67 de Montreal.

En un momento dado, el equipo vio una fotografía de una de las cúpulas del arquitecto, un cobertizo para material rodante ferroviario diseñado por Fuller para la Union Tank Car Company en Baton Rouge (Luisiana). La cúpula se abrazaba al suelo y parecía un wok volcado. La retícula de la estructura parecía estar compuesta en su totalidad por hexágonos. Curl, que aportaba una buena dosis de escepticismo a todo el proyecto, dudaba de que los hexágonos por sí solos sirvieran para algo.

Cuando la discusión diurna parecía haber llegado a un punto muerto, parte del grupo se dirigió a un restaurante mexicano favorito para celebrar el descubrimiento del C60. Durante la comida, Smalley se preguntó cómo podría cerrarse una hoja de hexágonos; tal vez, la única manera de averiguarlo era construir una.

En búsqueda de la geometría de los fullerenos

Smalley trabajó hasta altas horas de la noche en el ordenador de su casa intentando generar una estructura. Cuando eso falló, recurrió a herramientas de baja tecnología: papel, cinta adhesiva y tijeras. Empezó recortando hexágonos, de unos dos centímetros de lado, en un bloc de papel. Al pegar los hexágonos se dio cuenta de que tenía que hacer un poco de trampa para conseguir que la superficie se curvara. Finalmente, se dio cuenta de que, incluso haciendo trampas, los hexágonos no se cerraban.

“Era medianoche”, escribe Smalley, “pero en lugar de irme a la cama me fui a la cocina a por una cerveza”. Mientras daba un sorbo a su cerveza, Smalley se acordó de la cúpula estelar que Kroto mencionó que había hecho utilizando tanto pentágonos como hexágonos. “Volví a mi escritorio”, dice Smalley, “corté un solo pentágono del papel y empecé a pegar pentágonos alrededor. Ahora no hacía falta hacer trampas. Los hexágonos adoptaron automáticamente la forma de un cuenco”.25 Había descubierto que intercalando pentágonos entre los hexágonos de carbono habituales (muchos compuestos de carbono tienen anillos de cinco y seis miembros) el resultado sería una cúpula geodésica con sesenta vértices. Smalley había dado con una verdad matemática empleada por Fuller en sus cúpulas: una lámina de hexágonos puede curvarse utilizando pentágonos.26 Resultó que sesenta era el único número de átomos que podía formar una esfera casi perfecta.


A la mañana siguiente, de camino a Rice, Smalley llamó a Curl, pidiéndole que reuniera al equipo en el despacho de Smalley. Más tarde, Kroto escribió que, cuando al día siguiente Smalley arrojó el modelo de papel de doce pentágonos y veinte hexágonos sobre una mesa de su despacho, “me quedé extasiado y sobrecogido por su belleza”. Smalley llamó a un tal Bill Veech, director del departamento de matemáticas de Rice, para preguntarle si conocía la forma. La respuesta llegó unos minutos después en una llamada de vuelta: “Podría explicaros esto de muchas maneras, pero lo que tenéis ahí, chicos, es un balón de fútbol”.

Premios Nobel y nanotubos

La carta publicada en Nature que describía el C60 era atractiva y lógica, pero ver una línea en un espectro de masas no convenció a todos los científicos del descubrimiento de un nuevo alótropo del carbono. Durante el periodo 1985-1990, el equipo de Curl/Smalley en Rice y Kroto en Sussex consiguieron acumular una amplia gama de pruebas circunstanciales para apoyar la propuesta de la estructura del fullereno. La aceptación total llegó cuando Wolfgang Krätschmer, del Instituto Max Planck de Física Nuclear de Heidelberg (Alemania), y Donald Huffman, de la Universidad de Arizona, con sus estudiantes Konstantinos Fostiropoulos y Lowell Lamb, lograron sintetizar el C60 en cantidades suficientes para permitir su caracterización estructural.

En 1996, Smalley, Kroto y Curl recibieron el Premio Nobel de Química. El presentador del Nobel señaló que el descubrimiento de los fullerenos tiene implicaciones para todas las ciencias naturales. Nació de la astronomía, por el deseo de comprender el comportamiento del carbono en las estrellas gigantes rojas en las nubes de gas interestelares y por el trabajo de Curl y Smalley en la química de cúmulos en la Universidad de Rice. Ha ampliado los conocimientos de la química y la física. Se han encontrado fullerenos en formaciones geológicas y en llamas de hollín. Sus posibles usos futuros incluyen los antibióticos y los recubrimientos.

La investigación sobre los fullerenos ha dado lugar a la síntesis de un número cada vez mayor de nuevos compuestos, que ya superan el millar. El descubrimiento de los fullerenos también condujo a la investigación de los nanotubos de carbono, los primos cilíndricos de las buckyballs, y al desarrollo de nuevos campos de materiales avanzados como el Vantablack.

Las singulares propiedades estructurales y de unión de los nanotubos de carbono, por las que los tubos interiores de un nanotubo de paredes múltiples pueden deslizarse dentro de un tubo exterior, sugieren usos en motores diminutos y como cojinetes de bolas y lubricantes. Veinticinco años después de su descubrimiento, los fullerenos ofrecen abundantes oportunidades de investigación en química pura, ciencia de los materiales, química farmacéutica y nanotecnología.


Para más información Discovery of Fullerenes

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