¿Qué es el fullereno y cuáles son sus usos?
Los fullerenos son un tipo de molécula de carbono con una construcción particular que utiliza formas físicas como una esfera o un tubo. Estas moléculas también pueden tener formas hexagonales y pentagonales. Pero, ¿Que es y para que sirve el fullereno? Los fullerenos son útiles en algunos tipos de aplicaciones informáticas, especialmente en la construcción de nanotecnologías.
Historia del Fullereno
Un fullereno fue descubierto en 1985 por Richard Smalley, Robert Curl, James Heath, Sean O’Brien y Harold Kroto en la Universidad de Rice. El primer fullereno fue descubierto en nombre de buckminsterfullerene (C60), y su nombre era un homenaje a Buckminster Fuller. Robert Curl obtuvo el Premio Nobel «por el descubrimiento de los fullerenos» en 1996.
Sin embargo, el descubrimiento de la Bucky-ball ha dirigido la investigación sobre una nueva clase de materiales llamados fullerenos, o buckminsterfullerene (el fullereno más pequeño). Como ya sabemos de algunos alótropos de carbono, que se limitan a diamantes, grafito, nanotubos, carbón o carbono amorfo. El descubrimiento de los bucky-balls alargó significativamente los alótropos de carbono y se ha convertido en el tema de una apasionada investigación en el campo de los sistemas microelectromecánicos (MEMS), las ciencias de los materiales, la electrónica y la nanotecnología. Las investigaciones han demostrado que el trabajo del fullereno se basa en gran medida en sistemas teóricos y experimentales.
Estructura del Fullereno
Los fullerenos son similares en estructura al grafito, que está compuesto por una lámina de anillos hexagonales unidos, pero contienen anillos pentagonales (o a veces heptagonales) que impiden que la lámina sea plana.
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Los fullerenos tienen átomos de carbono híbridos sp2 y sp3. Estas moléculas tienen una afinidad extremadamente alta por los electrones y pueden ser reversiblemente reducidas para absorber 6 electrones. Aunque esta molécula está hecha de anillos de carbono conjugados, los electrones aquí no están deslocalizados, y por lo tanto, estas moléculas carecen de la propiedad de la superomaticidad. Estas moléculas tienen una resistencia a la tracción muy alta y recuperan su forma original después de haber sido sometidas a más de 3.000 presiones atmosféricas. Debido a las propiedades únicas de este alótropo de carbono, tiene una serie de aplicaciones, algunas de las cuales se describen a continuación.
Debido a su relativa facilidad de síntesis, el fullereno C60 sigue siendo popular y se han llevado a cabo muchas investigaciones para sus aplicaciones potenciales. El fullereno C60 está formado por 60 carbonos en 60 vértices que forman una estructura esférica. Se compone de 12 anillos pentagonales y 20 anillos hexagonales que son adyacentes entre sí. Estos anillos están conjugados con dobles enlaces. La longitud de unión C-C para los anillos hexagonales es de 1,40 A° y 1,46 A° para los anillos pentagonales, con una longitud de unión media igual a 1,44 A°.
Varios tipos de fullerenos incluyen «buckyballs», que son esféricos. Los fullerenos cilíndricos también se denominan «buckytubes» o nanotubos de carbono. Una de las propiedades interesantes de los fullerenos es que pueden ser artificiales, o encontrarse en la naturaleza, por ejemplo, donde la construcción de elementos orgánicos naturales como el grafito tiene láminas de átomos de carbono dispuestos en hexágonos.
Mediante la manipulación de elementos a nivel molecular, los científicos son capaces de construir fullerenos como nanotubos de carbono para la investigación y el diseño de nanomateriales u otros fines. Otros tipos de fullerenos incluyen los megatubos, que son más grandes que los nanotubos de carbono, y los polímeros formados bajo presión, así como las buckyballs esféricas individuales unidas mediante una cadena de carbono.
Tipos de fullereno
Los fullerenos tienen muchas variaciones estructurales, y han progresado bien en 1985. A continuación se describen algunos ejemplos;
- Nanotubos o fullerenos cilíndricos: son de forma hueca, de dimensiones muy reducidas. Los nanotubos que están hechos de carbono son generalmente anchos y pueden variar desde unos pocos nanómetros hasta varios milímetros de longitud. Tienen un extremo cerrado y otro abierto. El uso principal de los nanotubos de carbono es en la industria electrónica, la tecnología espacial (para producir cables de carbono de alta resistencia requeridos por un elevador espacial) y en baterías de papel.
- Racimos de Buckyballs: es el fullereno más pequeño (no hay dos pentágonos que compartan un borde) que se encuentra en la naturaleza. Su miembro más pequeño es C20 (dodecaedro) y el más común es C60 (icosaedro o similar a una pelota de fútbol, veinte hexágonos y doce pentágonos). El fullereno más pequeño tiene gran importancia en términos de ocurrencia natural, y se puede encontrar en el hollín o en el carbón.
- Megatubos: como su nombre indica, mega que significa grande, estos tubos tienen un diámetro mayor que los nanotubos. Las paredes de los megatubos están preparadas con diferentes espesores. Estos tipos de tubos se utilizan principalmente en el transporte de una variedad de moléculas de diferentes tamaños.
- Polímeros: son macromoléculas conectadas por enlaces químicos covalentes. Los polímeros están compuestos principalmente por cadenas de carbono. Bajo alta presión y alta temperatura se forman polímeros bidimensionales y tridimensionales.
- Nano-cebolla: es una forma de buckyball sólido, con partículas esféricas (basadas en múltiples capas de carbono).
- Dímeros de «bola y cadena» unidos: dos bolas de buckyballs unidas por una cadena de carbono.
- Anillos de fullereno.
Usos y aplicaciones del fullereno
Con el comienzo de la «Nanotecnología» varias cosas se le aparecen al mundo. Los Fullerenos obtuvieron el foco en el campo de la nanotecnología. La NASA, en colaboración con el geoquímico Lynn Becker descubrió los fullerenos que ocurren naturalmente. Debido a su química única en las ciencias de los materiales, los investigadores han descubierto varias aplicaciones de los fullerenos, que incluyen aplicaciones médicas, superconductores y fibra óptica.
1. Antioxidantes
Los fullerenos pueden producir excelentes antioxidantes, esta propiedad puede atribuirse a un gran número de dobles enlaces conjugados que poseen y a una afinidad electrónica muy alta de estas moléculas (debido a la baja energía de la órbita molecular desocupada). Los fullerenos pueden reaccionar con una serie de radicales antes de ser consumidos.
2. Agentes antivirales
Los fullerenos han llamado bastante la atención debido a su potencial como agentes antivirales. Quizás el aspecto más emocionante de esto pueda ser su capacidad para suprimir la replicación del virus de la inmunodeficiencia humana (VIH) y, por lo tanto, retrasar la aparición del síndrome de inmunodeficiencia adquirida (SIDA). Se ha visto que el dendrofullereno 1 y el derivado 2, el isómero trans, inhiben la proteasa del VIH y, por lo tanto, previenen la replicación del VIH 1. Los derivados metálicos bivalentes de los derivados de aminoácidos del fullereno, como el C60-1-Ala, también son activos contra el VIH y la replicación del citomegalovirus humano.
3. Entrega de medicamentos y entrega de genes
La administración de medicamentos es el transporte adecuado de un compuesto farmacéutico a su lugar de acción, mientras que la administración de genes es la introducción de ADN extraño en las células para producir el efecto deseado. Por lo tanto, es de suma importancia entregar estas moléculas con seguridad y gran eficacia. Los fullerenos son una clase de portadores inorgánicos, estas moléculas son las preferidas ya que muestran buena biocompatibilidad, mayor selectividad, retienen la actividad biológica, y son lo suficientemente pequeñas para ser difundidas.
4. Fotosensibilizadores en terapia fotodinámica
La terapia fotodinámica (PDT) es una forma de terapia que consiste en utilizar un compuesto sensible a la luz no tóxico que, cuando se expone a la luz, se vuelve tóxico. Se utiliza para tratar las células alteradas y malignas. Los fullerenos se utilizan normalmente como estos compuestos. Los fullerenos se excitan con la irradiación cuando estas moléculas regresan al estado de la tierra y emiten energía que divide el oxígeno presente para generar oxígeno singlete, que puede ser citotóxico en la naturaleza.
5. En gafas de protección
Los fullerenos tienen propiedades ópticas limitantes. Esto se refiere a su capacidad para disminuir la transmitancia de la luz que le incide. Estas moléculas pueden, por lo tanto, ser utilizadas como un limitador óptico que puede ser utilizado en gafas de protección y sensores. Este limitador óptico sólo permitirá el paso de la luz por debajo de un determinado umbral y mantendrá la luz transmitida a un nivel constante, muy por debajo de la intensidad que puede causar daño al ojo o al sensor.
Ademas de lo anterior, el Fullereno tiene estos usos :
- Propiedades electrónicas de los nanotubos
- Síntesis y propiedades del grafito y del Nano grafito
- Súper red de carbono
- Síntesis y propiedades de las cebollas de carbono y Nano diamantes
- Fullerenos y nanotubos inorgánicos
- Síntesis y propiedades químicas de los derivados del fullereno
- Formación de conglomerados de carbono y transiciones de fase en Nano carbonos
- Propiedades fotoeléctricas y ópticas de los fullerenos y nanotubos
- Características biológicas y médicas de los nanocarbonos
- Enfoques de las caracterizaciones de Nano carbono
- Aplicaciones industriales de los nanocarbonos
Propiedades físicas del C60 (fullereno)
- Densidad : 1,65 g cm-3
- Calor estándar de formación : 9,08 k cal mol-1
- Índice de refracción : 2,2 (600 nm)
- Punto de ebullición : Sublimes a 800 K
- Resistividad : 1014 ohmios m-1
- Densidad del vapor : N/A
- Forma de cristal
- Presión de vapor cúbica hexagonal : 5 x 10-6 torr a temperatura ambiente : 8 x 10-4 torrenciales a 800 K
- Propiedades organolépticas : Aspecto Hollín de balón: Polvo negro muy finamente dividido
- Fullerita: Polvo marrón/negro
- C60: Sólido negro
- Olor..: Inodoro
Avances más recientes en la investigación y desarrollo de fullerenos
Los avances más recientes en la investigación y desarrollo de fullerenos se centran en los siguientes campos:
- Síntesis: Se han desarrollado nuevos métodos para sintetizar fullerenos de manera más eficiente y rentable. Por ejemplo, un equipo de investigadores de la Universidad de California en Berkeley ha desarrollado un método que utiliza un láser para producir fullerenos de forma selectiva.
- Modificaciones: Se están desarrollando nuevas formas de modificar las propiedades de los fullerenos. Por ejemplo, un equipo de investigadores de la Universidad de Oxford ha desarrollado un método para incorporar metales a los fullerenos, lo que les confiere nuevas propiedades magnéticas.
- Aplicaciones: Se están explorando nuevas aplicaciones para los fullerenos. Por ejemplo, un equipo de investigadores de la Universidad de Massachusetts Amherst ha desarrollado un nuevo tipo de batería que utiliza fullerenos como electrodos.
Algunos estudios de caso específicos donde los fullerenos se han aplicado con éxito incluyen:
- Electrónica: Los fullerenos se están utilizando para desarrollar nuevos tipos de transistores, diodos y otros dispositivos electrónicos. Por ejemplo, un equipo de investigadores de la Universidad de Stanford ha desarrollado un nuevo tipo de transistor que utiliza fullerenos como material semiconductor.
- Medicina: Los fullerenos se están utilizando para desarrollar nuevos tipos de fármacos, agentes de contraste para imágenes médicas y otros productos farmacéuticos. Por ejemplo, un equipo de investigadores de la Universidad de California en Los Ángeles ha desarrollado un nuevo tipo de fármaco que utiliza fullerenos para transportar medicamentos a las células cancerosas.
- Energía: Los fullerenos se están utilizando para desarrollar nuevos tipos de baterías, celdas solares y otros dispositivos de almacenamiento de energía. Por ejemplo, un equipo de investigadores de la Universidad de California en San Diego ha desarrollado un nuevo tipo de batería que utiliza fullerenos como electrodos.
- Nanotecnología: Los fullerenos se están utilizando para desarrollar nuevos tipos de materiales nanoestructurados con propiedades únicas. Por ejemplo, un equipo de investigadores de la Universidad de Cornell ha desarrollado un nuevo tipo de material nanoestructurado que utiliza fullerenos para mejorar la conductividad térmica.
Retos y limitaciones actuales en el uso de fullerenos
A pesar de los avances recientes en la investigación y desarrollo de fullerenos, todavía existen algunos retos y limitaciones que deben ser superados para que estos materiales se puedan utilizar a escala comercial.
Uno de los principales retos es la síntesis de fullerenos de manera eficiente y rentable. Los métodos de síntesis actuales son todavía relativamente caros y requieren procesos complejos. El desarrollo de nuevos métodos de síntesis más eficientes y rentables sería clave para la comercialización de fullerenos.
Otro reto es la modificación de las propiedades de los fullerenos. Los fullerenos tienen propiedades únicas que los hacen atractivos para una amplia gama de aplicaciones, pero estas propiedades pueden ser modificadas para mejorar su rendimiento en aplicaciones específicas. El desarrollo de nuevas formas de modificar las propiedades de los fullerenos sería esencial para ampliar su gama de aplicaciones.
Por último, todavía hay incertidumbre sobre los posibles efectos biológicos de los fullerenos. Los fullerenos son materiales relativamente nuevos y no se conoce bien su comportamiento en el cuerpo humano. Es importante realizar más estudios para evaluar los posibles efectos biológicos de los fullerenos antes de que puedan utilizarse en aplicaciones médicas.
Algunos de los retos y limitaciones específicos que se están investigando actualmente incluyen:
- Desarrollar nuevos métodos de síntesis de fullerenos que sean más eficientes y rentables.
- Desarrollar nuevas formas de modificar las propiedades de los fullerenos para mejorar su rendimiento en aplicaciones específicas.
- Evaluar los posibles efectos biológicos de los fullerenos.
La investigación en estos campos está progresando rápidamente y es probable que se superen los retos y limitaciones actuales en el uso de fullerenos en los próximos años.
Síntesis y producción de fullerenos a escala industrial
La síntesis de fullerenos a escala industrial se puede realizar mediante dos métodos principales:
- Método de arc-discharge: Este método consiste en vaporizar grafito en una atmósfera de gas noble, como argón o helio. El choque de los átomos de carbono vaporizados entre sí y con los átomos de gas noble da lugar a la formación de fullerenos.
- Método de laser: Este método consiste en irradiar grafito con un láser de alta energía. El calor generado por el láser vaporiza el grafito y da lugar a la formación de fullerenos.
El método de arc-discharge es el método más utilizado para la síntesis de fullerenos a escala industrial. Este método es relativamente sencillo y puede producir grandes cantidades de fullerenos. Sin embargo, el método de arc-discharge también es relativamente caro y produce una mezcla de fullerenos con diferentes tamaños y estructuras.
El método de laser es un método más reciente que está ganando popularidad. Este método es más eficiente que el método de arc-discharge y produce fullerenos con una mayor pureza. Sin embargo, el método de laser es también más caro y complejo.
Impacto ambiental y potencial de los fullerenos en la sostenibilidad
Los fullerenos tienen un impacto ambiental relativamente bajo. Los métodos de síntesis de fullerenos no producen residuos peligrosos y los fullerenos son relativamente inertes y no tóxicos.
Los fullerenos tienen un potencial importante para contribuir a la sostenibilidad. Los fullerenos se pueden utilizar para mejorar la eficiencia energética, reducir las emisiones de gases de efecto invernadero y desarrollar nuevos materiales sostenibles.
Ejemplos concretos de aplicaciones sostenibles de fullerenos:
- Electrónica: Los fullerenos se pueden utilizar para desarrollar nuevos tipos de dispositivos electrónicos que sean más eficientes energéticamente. Por ejemplo, los fullerenos se pueden utilizar para fabricar diodos emisores de luz (LED) más eficientes o para desarrollar nuevos tipos de transistores.
- Energía: Los fullerenos se pueden utilizar para desarrollar nuevos tipos de dispositivos de almacenamiento de energía que sean más eficientes y tengan una mayor densidad de energía. Por ejemplo, los fullerenos se pueden utilizar para fabricar baterías o celdas solares más eficientes.
- Construcción: Los fullerenos se pueden utilizar para desarrollar nuevos tipos de materiales de construcción que sean más ligeros, más resistentes y más eficientes energéticamente. Por ejemplo, los fullerenos se pueden utilizar para fabricar hormigón o ladrillos más ligeros y resistentes.
Los fullerenos son un material prometedor con un gran potencial para contribuir a la sostenibilidad. Los avances recientes en la investigación y desarrollo de fullerenos están abriendo nuevas oportunidades para su uso en una amplia gama de aplicaciones sostenibles.
La Evolución de los Fullerenos a los Nanotubos y Nanocables
Como bien sabemos, los fullerenos se forman al «enrollar» una lámina de grafito, incorporando pentágonos para inducir la curvatura necesaria. Si convertimos esta lámina en un cilindro y sellamos sus extremos con hemisferios formados por pentágonos, obtenemos un nanotubo de carbono.
Estos materiales se distinguen claramente de los tradicionales fullerenos, que son estructuras esféricas, y, por tanto, exhiben propiedades significativamente diferentes.
La investigación contemporánea se enfoca principalmente en los nanotubos incrustados con átomos metálicos en su estructura de carbono. Estos híbridos de metal y carbono despliegan características fascinantes, como la transición de aislantes a conductores metálicos, que dependen de la geometría precisa de la región cilíndrica. Los tubos no necesariamente tienen que ser «rectos»; pueden enrollarse de tal manera que las cadenas de carbono asciendan en espiral alrededor del cilindro, asemejándose a los palitos de pan retorcidos. Al añadir una torsión extra de manera incremental, los tubos van alternando entre conductores y aislantes.
También hay una creciente expectativa de que podamos alinear una secuencia de átomos metálicos dentro de esta estructura cilíndrica de carbono.
A esta configuración se le conoce como «nanocable» y bien podría ser considerado el cable BNC más diminuto en existencia. Estos hilos son extremadamente resistentes; si pudieran fabricarse con el grosor de un cable de acero, soportarían cientos de veces más peso que este. Si bien es probable que los fullerenos regulares no encuentren aplicaciones prácticas a gran escala, el estudio de los nanotubos de carbono, especialmente desde enero de 2002, promete ser de gran relevancia práctica.
Últimos avances en los Fullerenos
Los últimos avances en los fullerenos se centran en su síntesis, propiedades y aplicaciones.
En cuanto a la síntesis, se han desarrollado nuevos métodos para producir fullerenos de forma más eficiente y económica. Por ejemplo, se ha desarrollado un método para producir fullerenos a partir de la combustión de carbono a temperaturas relativamente bajas. Este método tiene el potencial de reducir significativamente el costo de producción de los fullerenos.
En cuanto a las propiedades, se ha investigado el uso de los fullerenos para una variedad de aplicaciones, incluyendo:
- Medicina: Los fullerenos se están estudiando como posibles agentes terapéuticos para el tratamiento de una variedad de enfermedades, incluyendo el cáncer, el Alzheimer y el Parkinson.
- Electrónica: Los fullerenos se están estudiando como posibles materiales para la fabricación de dispositivos electrónicos, como transistores y diodos.
- Energía: Los fullerenos se están estudiando como posibles materiales para la fabricación de baterías, supercondensadores y células solares.
Por ejemplo, se ha demostrado que los fullerenos pueden transportar oxígeno a las células cancerosas, lo que podría ayudar a matarlas. También se ha demostrado que los fullerenos pueden proteger las células cerebrales del daño, lo que podría ayudar a retrasar el desarrollo del Alzheimer y el Parkinson.
En cuanto a las aplicaciones, se han realizado avances en el desarrollo de nuevos productos que utilizan fullerenos. Por ejemplo, se ha desarrollado una nueva generación de baterías que utilizan fullerenos como electrodos. Estas baterías tienen una mayor capacidad que las baterías convencionales, lo que podría hacerlas más adecuadas para su uso en dispositivos electrónicos portátiles.
También se han desarrollado nuevos tipos de materiales que utilizan fullerenos. Por ejemplo, se ha desarrollado un nuevo tipo de material plástico que es más fuerte y ligero que los plásticos convencionales. Este material podría utilizarse en una variedad de aplicaciones, incluyendo la construcción y la fabricación.
En general, los últimos avances en los fullerenos muestran que estos materiales tienen el potencial de revolucionar una variedad de industrias.
