Balones de carbono

Hay premios Nobel rápidos y lentos. Por lo general, la Academia Sueca de Ciencias se toma un cierto tiempo antes de considerar que un descubrimiento, o una carrera científica en su conjunto, son merecedores del premio. Los fulerenos han sido un premio Nobel rápido. Desde el principio ha existido un consenso amplio en la comunidad científica sobre la importancia del descubrimiento, y sobre las personas que lo hicieron posible.La consideración que merece un trabajo de investigación depende, en gran medida, del número de ideas aceptadas que pone en entredicho. Los fulerenos cambiaron radicalmente nuestra visión sobre el carbono y sus compuestos. El carbono es el elemento más estudiado por el hombre, por razones obvias. La química orgánica está dedicada al estudio de los compuestos del carbono, y constituye una fracción muy importante de la química en general. Hasta 1985 se creía que se sabía todo sobre el carbono puro. Se le suponía existir solamente en una forma noble, el diamante, y en forma de grafito, que además de servir para minas de lápices forma el grueso del carbón mineral. A la temperatura y presión de la superficie de la Tierra, el grafito es ligeramente más estable.

El descubrimiento del C60 apareció, con todos los honores, como resultado de una colaboración entre H. Kroto y R. Smalley y R. Curl. El objetivo era el estudio de agregados pequeños de átomos (clusters, en inglés), y estaba motivada por el descubrimiento reciente de nuevos compuestos de carbono en el espacio exterior.

Analizando los tamaños de gotas microscópicas de átomos de carbono, formados mediante una descarga láser, se observó un clarísimo máximo en la fracción relativa de agregados con exactamente 60 átomos de carbono. Igualmente se observaron otros máximos bien definidos para otros números mágicos mayores. Una vez conocido el número de átomos, quedaba el determinar la estructura espacial del agregado.

Dado que el carbono tiene una predisposición a formar redes hexagonales y a rodearse de tres vecinos, los científicos estadounidenses y británicos trataron durante un tiempo en cuadrar el círculo: obtener una estructura cerrada tridimensional a base de hexágonos, similar a un panal curvo. Existe un famoso teorema en geometría que demuestra que esto es imposible. Al cabo de un tiempo se dieron cuenta que para cerrar la estructura era necesario incluir pentágonos y hexágonos. La red de éste, con 60 posiciones idénticas, no es sino la estructura formada por las costuras de un balón de fútbol.

La trascendencia del descubrimiento no se apreció en toda su magnitud hasta que se dispuso de un método para sintetizar C60 en grandes cantidades, y fue posible en 1990, tras el trabajo de científicos del Instituto Max Planck de Heidelberg (Alemania) y la Universidad de Tucson (EE UU), también interesados en reproducir los procesos de síntesis en el espacio exterior.

A partir de ese momento la investigación en los nuevos compuestos de carbono puro se disparó, y los resultados sorprendentes no han dejado de producirse. Se encontró que el C60 se produce de forma natural en procesos de combustión, y que quizá es uno de los componentes más abundantes del hollín. Se sintetizaron otros compuestos similares, como el C70, que tiene una forma de balón de rugby. Se cristalizó en C60, y se le añadió otros elementos, de forma similar al proceso de dopado de semiconductores. Los compuestos resultantes resultaron ser superconductores, y a temperaturas que hubieran parecido extraordinarlamente elevadas hace 10 años (30 K). Se encontraron fullerenos gigantes (las buckyonions, buckycebollas). Se han introducido otros elementos dentro de la cáscara que forman los átomos de carbono en el C60.

En la actualidad despiertan gran interés los llamados nanotubos de carbono. De la misma forma que el C60 tiene la forma aproximada de una esfera, estos materiales parecen cilindros, de radio microscópico, formados por carbono puro; son muy rígidos, y sus propiedades conductoras están siendo investigadas intensivamente, tanto por su interés práctico como por la posibilidad de que presenten un cierto tipo de propiedades anómalas, predichas teóricamente, pero nunca observadas.

La historia de los fulerenos da una imagen muy típica de la ciencia actual: unos investigadores se asocian para utilizar unas técnicas muy avanzadas (formación de agregados por descargas con láseres) en el estudio de la formación de compuestos de carbono en el interior de las estrellas, y los resultados abren unas perspectivas insospechadas en campos como bastante alejados, como superconductividad, magnetismo o nanoestructuras, con interés práctico aún por determinar. Los resultados realmente utilizables no están muy relacionados con la motivación original ni con los avances posteriores: hemos descubierto de qué está compuesto el hollín, el C60 es un lubrificante excelente.

Francisco Guinea es profesor de investigación en el Instituto de Ciencia de Materiales de Madrid (CSIC).