Ciencia y salud

Por José Antonio Lozano Teruel

Un carbono inesperado

Un carbono inesperado

Carl Sagan, el gran astrónomo y divulgador, decía que "no somos más que polvo de las estrellas" ya que es bien conocido que en el núcleo de las estrellas, poco tiempo tras el Big Bang, se formó la mayoría del carbono del universo. Este carbono, junto con otros acompañantes, atravesó el espacio y al caer sobre los planetas en formación actuó como soporte vital para que, si las condiciones eran adecuadas, como sucedió en la Tierra, permitiese que tras un proceso de evolución química, apareciesen las primeras formas primitivas de vida. En este 2005 se cumplen los veinte años de un descubrimiento nacido del estudio del "polvo estelar". Muchos científicos piensan que ha sido el descubrimiento más importante y significativo de la Química moderna.

Como otros tantos grandes avances en la historia de los conocimientos, no se persehuía su consecución, sino que fue un ejemplo de serendipia, es decir, que ante una observación inesperada fue precisa la presencia de mentes abiertas y preparadas que aclarasen su significado y descubriesen un nuevo mundo molecular fascinante: el de los buckminsterfullerenos. La incredulidad con que se recibieron los primeros datos, la carrera por la confirmación experimental de la hipótesis en el laboratorio, los triunfos logrados, y el gran desarrollo derivado de sus extraordinarias propiedades es una historia clásica, la propia de todos los grandes descubrimientos. Hoy, intentaremos resumir todo lo acaecido al respecto en esta veintena de años.

HISTORIA. Hasta entonces, al carbono, que es el elemento químico más estudiado por el hombre y uno de los cuatro elementos más abundantes en la biomasa, sólo se le conocían dos formas naturales alotrópicas, es decir, estables. La primera era la de diamante, en la que cada átomo de carbono está unido a otros cuatro con una distribución que se extiende por todo el cristal dando lugar a un sólido rígido, uno de los materiales con mayor grado de dureza conocido. Por el contrario, la segunda forma, era la de grafito, en la que los átomos de carbono se unen formando anillos hexagonales en láminas planas superpuestas, produciendo un sólido deslizante que es un material tremendamente quebradizo.

Los científicos senior responsables del descubrimiento, por el que recibieron el Premio Nobel de Química en 1996 fueron los estadounidenses Robert F. Curl y Richard E. Smalley y el británico Harold W. Kroto. Los dos científicos, tejanos, que trabajaban en la Universidad de Rice, lo hacían con una máquina de bombardeo y vaporización inventada por Smalley para conseguir racimos ("clusters") de átomos metálicos. Usando rayos láser sobre barras de silicio las altas temperaturas obtenidas, de hasta diez mil grados, superiores a las existentes en las superficies de las estrellas, conseguían separar sus átomos convirtiéndolos en un plasma. Tras ello, en una cámara de vacío de un vaporizador, el plasma era sometido a corriente de gas helio inerte y se obtenían unos racimos o agregados de átomos que eran estudiados mediante técnicas de espectrometría de masas.

En cuanto al británico Harold Kroto, de la Universidad de Sussex era un astroquímico que investigaba el origen del universo y de la materia viva, e intentaba hallar una explicación al "polvo estelar" o carbono estelar al que se refería Carl Sagan. Concretamente trataba de conocer como se forman los agregados de carbono y nitrógeno (cianopolienos) que abundan en las atmósferas estelares. Kroto, conocedor de la máquina americana, se trasladó a Estados Unidos y reemplazó el silicio por el carbono. Pronto comenzaron a acumularse resultados indicativos de que los átomos de carbono se disponían en una forma sorprendente y estable de agregados de 60 átomos de carbonos unidos entre sí. La unidad básica parecía ser una estructura de anillo hexagonal plano como el grafito, pero el aspecto global parecía ser esférico. ¿Cómo se formaban?. ¿Cómo se unían los átomos entre sí?

FULLER. Richard Buckminster Fuller (1895 -1983), fue un prestigioso arquitecto, inventor y filósofo estadounidense que defendía su optimista visión de un mundo transformado por una aplicación eficaz de la tecnología. Sus experimentos influyeron sobre arquitectos de todo el mundo, como el calasparreño Pérez Piñero, y le llevaron a la construcción de unas originales cúpulas geodésicas, postulando su uso para cubrir grandes superficies e, incluso, ciudades enteras. Entre las muchas construida por Fuller fue famosa la cúpula que sirvió de pabellón en la Exposición Internacional de 1967 en Montreal.

La casualidad hizo que Kroto y Smalley hubieran visitado la Exposición de Montreal y, según sus propias palabras, mientras cavilaban sobre la intrigante estructura de los grupos de carbono C60 les venía a la cabeza la formas de las cúpulas de Fuller. Una noche, mientras jugaba con sus hexágonos planos de papel, Smalley encontró la solución, la misma que había aplicado Fuller en sus cúpulas: situar pentágonos a intervalos regulares entre los hexágonos. Efectivamente si sobre cada lado de un pentágono se sitúa un hexágono dr la misma longitud lateral y que esté unido alternativamente con otros 3 hexágonos y dos pentágonos adyacentes, se forma una esfera cerrada, semejante a un balón de fútbol, que posee en total 12 pentágonos regulares y 12 hexágonos regulares, contando con 60 átomos de carbono. La revista Nature publicó el hallazgo en su sección de cartas, con una fotografía de un balón de fútbol en los jardines de Rice.

El buckminsterfullereno o fullereno C60 constituía una nueva forma natural alotrópica del carbono pero la demostración definitiva, su obtención en el laboratorio en cantidades significativas, llevó cinco años de arduos trabajos. En ellos, se comprobó que existen otros fullerenos que poseen más átomos de carbono así como variantes geométricas de la forma, por ejemplo la versión alargada (pelota de rugby). Incluso se obtuvo una forma sólida amarilla transparente, la fullerita, cuyas moléculas forman una especie de conjunto de balas de cañón en una distribución compacta. También versiones tubulares de fullerenos en forma sólida. En 1991 el fullereno fue declarado "molécula del año". En 1997 la asamblea legislativa estatal de Texas declaró la C60 como molécula estatal de Texas

APLICACIONES. Actualmente se cree que es probable que el buckminsterfullereno abunde en el Universo, particularmente cerca de las estrellas rojas gigantes, atrapando en su interior moléculas, como las de gas helio y otras, que han utilizado esa envoltura o vehículo para viajar por el espacio.

Cuando se aprendió a fabricar fullerenos se descubrieron propiedades muy llamativas que pueden derivar a aplicaciones de gran interés, dando lugar a un nuevo campo de la química, del mismo modo que la química orgánica aromática surgió a raíz del descubrimiento del benceno 150 años atrás.

Una de esas propiedades interesantes es la de poder introducir átomos de elementos en el hueco existente en la envoltura de átomos de carbono, postulándose como aplicación la de su futuro uso como dispensadores de fármacos específicos. Asimismo es posible introducir átomos de metal en tubos fullerénicos para producir un alambre unidimensional aislado. Otra propiedad importante es la de los fulléridos de potasio (como el K3C60 o el K6C60) que, en condiciones adecuadas, pueden convertirse en semiconductores o en superconductores. También se ha encontrado que algunos derivados del buckminsterfullereno son activos biológicamente para atacar el cáncer y que pueden introducirse en los centros activos de algunas enzimas y bloquear su acción.

En suma, la Química sigue viva. En concreto, la de los fullerenos se encuentra en un inicio prometedor de muy interesante resultados futuros.