martes, 5 de junio de 2012

El mecanismo de crecimiento de fullerenos en el espacio es el mismo que en las velas.



¿Qué tienen en común la llama de una vela y las estrellas moribundas desde el punto de vista químico? Se podrán encontrar otras similitudes pero, sin duda, la más espectacular es la presencia de buckybolas, un alótropo del carbono constituido por 60 átomos que forman un balón de fútbol. Esta estructura se descubrió hace 25 años y se la llamó buckminsterfullereno (C60); desde entonces su proceso de creación ha sido un enigma. ¿Cómo se pasa de átomos individuales de carbono a una estructura tridimensional cerrada? Ahora, un equipo de investigadores encabezado por Paul Dunk, de la Universidad del Estado de Florida, publica un mecanismo en Nature Communications que, si bien no es la respuesta completa, se le perece mucho.

El investigador principal del grupo es Harold Kroto, coreceptor del premio Nobel por su trabajo con los fullerenos en general y con el buckminsterfullereno en particular. El buckminsterfullereno fue sintetizado por primera vez por Kroto cuando vaporizaba grafito en helio para recrear las moléculas de carbono que se detectan de las estrellas gigantes rojas.

Podemos imaginar distintas posibilidades para la creación de una buckybola: que se forme primero una lámina tipo grafeno que después se cierre y recombine, hexágonos y pentágonos que se terminan fusionando y seleccionando, etc, etc. Sin embargo los autores tienen pruebas experimentales de que el proceso consiste en la incorporación de átomos de carbono individuales.

La clave experimental del estudio estriba en la utilización de un espectrómetro de masas de resonancia ciclotrónica de iones por transformada de Fourier, que tiene un límite superior de masas muy elevado y una sensibilidad y resolución muy altas. Los investigadores emplearon este equipo para analizar los compuestos que se producían cuando fullerenos del tamaño de buckybolas reaccionaban con carbono vaporizado. Cuando había carbono vaporizado presente aparecía fullerenos grandes que contenían cientos de átomos de carbono. Sin el vapor sólo se detectaban C60 y otros fullerenos algo menores.


A la vista de estos datos los investigadores concluyen que los fullerenos más pequeños deben crecer hasta C60 y fullerenos mayores incorporando átomos de carbono o, a lo sumo, dímeros C2, pero no estructuras mayores. Las fullerenos cerrados (vulgarmente llamados jaulas) no comprometen nunca su estructura cerrada aunque reordenen algunos enlaces, es decir, no se abren para incorporar una estructura mayor a C2. Este extremo fue confirmado experimentalmente atrapando átomos de metal en las jaulas, de las que no podían escapar durante el proceso de crecimiento de éstas.

Por tanto, si bien los fullerenos se pueden formar de arriba a abajo a partir de una lámina de grafeno, los investigadores afirman que la ruta de abajo a arriba es la dominante en la producción de fullerenos.

La distribución de fullerenos en el estudio es muy similar a la que se encuentra en el hollín de las llamas de las velas, lo que sugiere el mismo mecanismo. Por otra parte, las condiciones de los experimentos pueden considerarse parecidas a las que se encuentran en el espacio en las zonas donde se cree que se forman los fullerenos: las eyecciones de las estrellas de carbono y las supernovas proveen las mismas condiciones energéticas que el carbono vaporizado del estudio.

Pero aún hay otro dato muy interesante desde el punto de vista astroquímico. Se solía considerar que era necesaria la ausencia de hidrógeno para la formación de fullerenos; sin embargo, los investigadores reprodujeron los resultados en presencia de hidrógeno. Es decir, este estudio establece una ruta eficiente alternativa a la considerada habitualmente para la formación de fullerenos en el espacio, y abre la posibilidad de encontrar fullerenos en regiones del espacio insospechadas hasta ahora.

Pero el inteligente lector, si ha llegado leyendo hasta aquí, se habrá dado cuenta de que falta la pieza central del puzle: ya sabemos cómo crecen, pero ¿cómo se forman las jaulas más pequeñas? ¿Cómo se fusionan cadenas y anillos de carbono al principio? Nadie lo sabe. ¿Quieres un tema interesante para la tesis?

Esta entrada es una participación de Experientia docet en la XVI Edición del Carnaval de Química que organiza el blog ¡Jindetrés, sal! 


Referencia: 

Dunk, P., Kaiser, N., Hendrickson, C., Quinn, J., Ewels, C., Nakanishi, Y., Sasaki, Y., Shinohara, H., Marshall, A., & Kroto, H. (2012). Closed network growth of fullerenes Nature Communications, 3 DOI: 10.1038/ncomms1853

2 comentarios:

Ununcuadio Uuq dijo...

¡Qué chulo! Me apunto el tema de tesis, solo me falta la financiación, jeje.

Anónimo dijo...

Habría que analizarlo con más cuidado, pero en principio me parece un tema bastante malo para una tesis.

Lo fundamental para una tesis es que de aquí a cuatro años tengas algo defendible delante de un tribunal. Si lo que pretendes es defender algo así como "Formación espontánea de fullerenos a partir de carbono libre" o similar, lo más probable (insisto en que habría que ver el estado del arte) es que dentro de 4 años no tengas absolutamente nada.

Como tema de post-doc puede estar bien, pero si algo aprendí de mi doctorado es que lo fundamental para una tesis es que esté terminada y escrita en 4 años.