¿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 fullerenes» 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.

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.

Kroto muestra un modelo de su descubrimiento en 1996: una molécula de carbono en forma de balón de fútbol que generó un nuevo campo de estudio y que podría actuar como una pequeña jaula para transportar otros productos químicos.

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.
Tipos comunes de Fullerenos

Usos del fullereno –  Aplicaciones

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.

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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.

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.

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.

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.

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 del Fullereno

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

Fullerenos en el espacio

Como sabemos, los fullerenos tienden a formarse «enrollando» una lámina de grafito y añadiendo pentágonos para lograr la curvatura. Si sólo enrollamos la hoja como un cilindro, entonces tapamos los extremos con hemisferios curvados por el pentágono. Tendremos un nanotubo de carbono.

Estos materiales son muy diferentes de los materiales tradicionales de tipo fullerene-tipo (es decir, jaulas redondas) y por lo tanto tienen propiedades bastante diferentes.

La mayor parte de la investigación actual se centra en nanotubos que tienen átomos metálicos incorporados en la estructura de carbono. Estos tubos de metal-carbono tienen algunas propiedades muy interesantes, como el cambio de aislante a metálico dependiendo de la forma exacta de la región cilíndrica. No es necesario hacer rodar los tubos «rectos», de modo que las cadenas de carbono formen círculos alrededor de la superficie cilíndrica.

Podemos enrollarlas con una torsión para que los carbones suban en espiral por el cilindro como si fueran palitos de pan retorcidos. A medida que giramos una unidad adicional a la vez, el tubo alterna entre metálico y aislante. También existe la esperanza de que seamos capaces de colocar una cadena de átomos de metal en el centro de la jaula cilíndrica de carbono.

Esta estructura se denomina «nanocable» y es sin duda el cable BNC más pequeño del mundo. Estos alambres son increíblemente fuertes, si se pudieran hacer tan gruesos como un cable de acero, podrían soportar cientos de veces más peso que el acero. Los fullerenos regulares probablemente no tendrán aplicaciones prácticas económicas; la investigación sobre los fullerenos ha dado lugar a la investigación sobre los nanotubos de carbono, en enero de 2002, que de hecho puede ser práctica.

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Luciana CH

Colaborador independiente, Nanova