Diamante
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Grafito
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El carbono es uno de los elementos químicos más versátiles y constituye la columna vertebral de casi todas las moléculas importantes para la vida, como el ADN, las proteínas y el petróleo. El carácter distintivo del carbono reside en su capacidad para formar enlaces estables consigo mismo, en comparación con la mayoría de los otros elementos que prefieren otros socios para los enlaces químicos.
Por eso sorprende descubrir que el carbono, que con unos pocos elementos (como el hidrógeno, el oxígeno y el nitrógeno) forma más compuestos químicos que los que pueden formar los otros 100 o más elementos combinados, existe solamente en dos formas puras: el diamante y el grafito. En el diamante, cada átomo está rodeado por otros cuatro carbonos y forma una red tridimensional, mientras que en el grafito cada carbono se enlaza en un solo plano con tres átomos vecinos, lo que se representa con la forma del alambre "de gallinero". Cada una de estas láminas de grafito se superpone en forma suelta a la otra y se desliza con facilidad, lo que brinda una textura lisa.
Éstas son las únicas dos formas en que se encuentra el carbono puro. ¡Al menos eso pensábamos hasta hace poco!
En el diamante, cada átomo de carbono tiene cuatro conexiones y en el grafito sólo tres. Si hubiera solamente dos conexiones, se formaría una cadena de átomos de carbono.
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Cadena de carbono
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Las primeras cadenas frágiles formadas solamente por carbono se observaron en los experimentos de la década de 1940 realizados por Otto Hahn, para quien esta observación fue sólo un efecto no deseado mientras trataba de agregar neutrones a los átomos para hacerlos más grandes y pesados. Hahn quería detectar las pequeñas diferencias de la masa de determinados átomos de metales pesados, evaporados en un arco de carbono. Mientras analizaba los resultados se dio cuenta de que el arco también producía cadenas de carbono, con masas que coincidían con la del metal. Hahn cambió de electrodos, registró lo que sucedió con las cadenas de carbono en una nota al pie y continuó con la investigación principal. Sus resultados con respecto a las cadenas de carbono no tuvieron un seguimiento inmediato, por lo que el descubrimiento de C60 se retrasó varias décadas.
En la década de 1970 surgieron dos nuevas ramas de la química, la Química Astrofísica y la Química de Agregados, que con la ayuda de la Radioastronomía abrieron paso a nuevos descubrimientos. Las señales de radio generadas por inmensas nubes de millones de toneladas de gas en el espacio interestelar se podían utilizar para detectar moléculas. Los investigadores también descubrieron moléculas extrañas que ¡no habían sido sintetizadas en el laboratorio! Mientras tanto y volviendo a la Tierra, los nuevos métodos de laboratorio para generar y detectar grupos de átomos que se enlazaban de maneras novedosas condujeron a una nueva clase de moléculas, denominadas agregados (clusters). Normalmente los agregados se encuentran en una zona de transición entre las moléculas y los sólidos, hecho que sin lugar a dudas reflejan sus propiedades. Las cadenas y otros compuestos de átomos de carbono se pueden considerar agregados.
En Sussex, Inglaterra, Harry Kroto y Dave Walton sintetizaban largas cadenas de carbono con hidrógeno en un extremo y nitrógeno en el otro. Descubrieron que los patrones espectroscópicos de estas sustancias eran idénticos a ciertos picos de absorción y emisión que se observaban en las inmensas nubes de gas de nuestra galaxia, la Vía Láctea. También detectaron señales provenientes de estas nubes que indicaban la existencia de cadenas de carbono más largas que las que se podían sintetizar en la Tierra. La concentración de estas moléculas largas era muy superior a lo esperado y los científicos se preguntaban de dónde venían.
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Estrella de carbono (estrella gigante roja)
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Una solución posible se encontraba en las estrellas, que generan su energía al fusionar elementos livianos como el hidrógeno y transformarlos en elementos pesados. Las estrellas pueden ser pequeñas, llamadas estrellas enanas blancas, o grandes, llamadas estrellas gigantes rojas. El sol ocupa algún lugar entre esos dos extremos. Finalmente descubrieron que la fuente de estas largas moléculas de carbono se encontraba en las estrellas de carbono gigantes, frías y de color rojo, que agotaron el combustible principal de hidrógeno y entonces "queman" los átomos de helio. Este carbono luego se libera en el espacio interestelar.
Esto cambió el viejo paradigma según el cual el carbono puro se encontraba en la naturaleza en forma de grafito o diamante.
Finalmente, en 1985 Kroto convenció a su colega estadounidense Rick Smalley para que colaborara en un proyecto para simular en el laboratorio las condiciones propias de esas estrellas gigantes rojas.
En la máquina de Smalley, un láser poderoso evaporaba un fragmento de grafito y lo convertía en una nube caliente de partículas; luego, al enfriar esta nube con una corriente de helio, los átomos se condensaban en agregados. Se analizó la mezcla con un aparato muy sensible denominado espectrómetro de masa. El aparato mostró que una gran cantidad de moléculas tenían una masa de 720. Los únicos elementos presentes eran helio y carbono. Como el helio es un gas totalmente inerte, se llegó a la conclusión de que las moléculas grandes debían estar formadas por 60 átomos de carbono, cada uno de los cuáles tiene una masa de 12. El pico de 720 del gráfico del espectrómetro de masa era muy fuerte, mucho más fuerte que los picos vecinos, lo que significa que C60 puede formarse y sobrevivir en el ambiente de alta energía del espectrómetro, donde muchas otras moléculas se rompen o fragmentan de manera característica y eso permite identificarlas. Esto sólo podía significar que por alguna razón, un grupo formado por 60 átomos de carbono era extraordinariamente estable.
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Molécula de C60 conocida como fullereno
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Los investigadores enfrentaban un dilema: si bien el espectro de masa demostraba claramente la existencia del C60, las cantidades detectadas eran demasiado pequeñas como para realizar un análisis estructural. Luego de varios días, llegaron a una hermosa pero arriesgada hipótesis: los 60 átomos de carbono se disponían en una estructura similar a la de un balón de fútbol (soccer). Debido a su estructura simétrica, muy destacada en algunas construcciones del arquitecto Buckminster Fuller de la época, los científicos le dieron el nombre de buckminsterfullereno. ¡El nombre químico exacto es muy difícil!* Normalmente la denominación del buckminsterfullereno se abrevia y se lo llama fullereno o buckyball. El equipo publicó su descubrimiento en la distinguida revista científica Nature. La estructura simétrica de la molécula era sólo una hipótesis y era necesario reunir pruebas de esta geometría para poder afirmar que esto era una verdad incuestionable.
En las décadas anteriores, algunos químicos habían trabajado arduamente para sintetizar jaulas de carbono altamente simétricas, con átomos de hidrógeno en las extremidades. La más larga era el dodecaedrano, de fórmula C20H20, e involucraba tantas reacciones (cada etapa reducía aún más la producción final) que no se había intentado lograr algo más grande. Que una molécula tres veces más grande que el dodecaedrano se formara espontáneamente con sólo calentar el grafito parecía casi mágico. ¡Era demasiado fácil!
Pero era cierto ¡y pronto se sintetizarían grandes cantidades de C60!
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