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Hablando con Científicos

El conocimiento científico crece gracias a la labor de miles de personas que se esfuerzan, hasta el agotamiento, por encontrar respuestas a los enigmas que plantea la Naturaleza. En cada programa un científico conversa con Ángel Rodríguez Lozano y abre para nosotros las puertas de un campo del conocimiento.

Fullerenos y otras maravillas del carbono. Hablamos con Fernando Langa.

Fullerenos - Podcast Hablando con Científicos - Cienciaes.com

Ministerio de Ciencia e Innovación

Fundación Española para la Ciencia y la Tecnología

Universidad de Castilla - La Mancha

El equipo del balón

Generalmente no llama la atención el hecho de ver a un equipo cinco personas -como el que pueden ver en la imagen de la derecha – con un balón de fútbol en brazos. Lo que sí es llamativo es que, entre ellos, hay tres galardonados con el Nobel en de Química de 1996. Por supuesto, ni son futbolistas, ni tienen edad para jugar en la liga de las estrellas, sin embargo, por extraño que parezca existe una conexión con ese deporte porque entre todos descubrieron la existencia de una molécula enigmática cuya forma recuerda al maltratado balón de fútbol. La molécula se conoce con el nombre de “fullereno”, aunque, como dice nuestro invitado de hoy en Hablando con Científicos, Fernando Langa, catedrático de Química Orgánica en la UCLM, “si hubiera sido descubierta en Europa la habrían llamado futboleno”.

La relación entre el equipo de la fotografía y Fernando Langa de la Puente también está conectada con los fullerenos porque, como director del Instituto de Nanociencia, Nanotecnología y Materiales Moleculares de la UCLM dedica su vida a investigar sobre las propiedades y desarrollos novedosos de nuevos materiales moleculares basados en fullerenos y nanotubos de carbono, especialmente en novedosas células solares orgánicas. Durante la entrevista Fernando Langa nos cuenta cómo son los fullerenos y las investigaciones que se están llevando a cabo en su Instituto.

Como complemento a la entrevista, nosotros les vamos a contar aquí la historia del descubrimiento de los fullerenos.

El descubrimiento de los fullerenos.

Permítanme que, para empezar, les presente al equipo protagonista de la historia: La instantánea fue tomada en el jardín que existe frente al Space Science Building de la Rice University, en Houston, Texas. Los miembros del equipo son, de izquierda a derecha, Sean O’Brien, Richard Smalley, Robert Curl, Harry Kroto y James Health.

La historia de estas personas tiene una relación muy especial con el carbono, un elemento químico maravilloso, en muchos sentidos. Recordemos que los átomos de carbono son la base de cualquier ser vivo, nosotros incluidos, y sólo por esa razón sería suficiente para situarlo en una posición de honor frente al resto de los elementos químicos. Científicos de todas las épocas han estudiado el carbono cuando éste se combina con otros átomos. Es tal la diversidad de compuestos que se pueden crear, que facilitan una fuente inagotable de ideas para las investigaciones científicas. En cambio, en su estado puro, hasta la segunda mitad del siglo XX, tan sólo se conocían dos formas de agrupar átomos de carbono: el grafito y el diamante. El grafito es fácil de encontrar, lo tienen ustedes al alcance de la mano, en las minas de sus lápices. El diamante, en cambio, es una joya de tal belleza que muchos están dispuestos a poner su vida en peligro por conseguirla. Nadie podía sospechar entonces que un elemento químico tan común y tan estudiado guardaba un buen número de sorpresas en sus formas más puras.

Cadenas de carbono en las profundidades cósmicas.

Antes de 1984, el químico británico Harry Kroto había estado estudiando, junto a radioastrónomos canadienses, la existencia de ciertos compuestos del carbono que él mismo había detectado en el espacio interestelar. En su cabeza rondaba la idea de que esas moléculas largas y flexibles se habían creado en las atmósferas ricas en carbono que rodean a las estrellas gigantes rojas. Era una hipótesis muy atrevida pero Kroto estaba convencido de que podía ser probada si lograra reproducir en laboratorio las condiciones extremas que tienen lugar en las estrellas.

Imitar el ambiente que existe en las regiones estelares es muy complejo, para empezar habría de conseguir un instrumento capaz de calentar las muestras decenas de miles de grados. Sin embargo, la visita Robert Curl, un investigador de la Universidad de Rice en Houston, Texas, en marzo de 1984, le daría las claves necesarias para lograrlo. Robert Curl y su colega Richard Smalley investigaban sobre semiconductores y tenían en su laboratorio la máquina que Kroto necesitaba para emular las condiciones de las estrellas. En sus experimentos utilizaban un potente láser capaz de emitir pulsos de luz de tal energía que lograba elevar la temperatura de la muestra iluminada decenas de miles de grados hasta vaporizarla por completo. La máquina era conocida como AP2 y Kroto propuso al visitante utilizarla para comprobar sus teorías sobre la formación de cadenas de carbono en las atmósferas estelares.

El experimento.

Un año después, Curl y Smalley decidieron llevar a cabo el experimento en su laboratorio y así se lo comunicaron a Harry Kroto. Harry no lo dudó un instante, pidió dinero prestado a su familia para el billete a Estados Unidos y se presentó en Houston pocos días después. Según él mismo declaró en una ocasión “Tenía una cosa clara en mi cabeza. Llevaba mucho tiempo esperando hacer mi experimento, demasiado como para dejar que otros lo hicieran”. Los tres investigadores, junto a los estudiantes de doctorado Sean O’Brien, James Health y Yuan Liu (éste último no sale en la foto) enfocaron el láser sobre una muestra de grafito y en pocos segundos la muestra se vaporizó en una atmósfera inerte de helio. El gas de carbono comenzó a enfriarse y los átomos fueron juntándose unos con otros creando los compuestos en los Kroto esperaba encontrar el sello de los compuestos estelares. Las moléculas así formadas pasaron por el espectrógrafo determinaba la masa de los distintos aglomerados. Así se detectaron las “las largas serpientes carbonadas de Kroto”, según palabras de Smalley. Pero los resultados mostraban algo inesperado, un pico en la gráfica indicaba que una molécula de 60 carbonos abundaba mucho más que el resto. También había un segundo pico, de menor intensidad, que indicaba la presencia de un aglomerado de 70 carbonos.

La extraña forma de la molécula.

Los investigadores miraban atónitos el resultado, si la formación de cadenas hubiera sido igualmente probable, debería haber aproximadamente la misma cantidad de conjuntos de 58, 60 y 62 átomos, sin embargo, la molécula de 60 era cuarenta veces más abundante que las otras ¿cómo era esa molécula? El espectrógrafo de masas dice cuántos átomos de carbono contiene el conjunto pero no indica absolutamente nada sobre la forma en la que estos átomos se ordenan.

Durante los días siguientes, el grupo hervía de ideas que no acababan de dar con la solución pero que poco a poco se iban acercando a ella. Probaron fórmulas de diversa índole y, después de mucho discutir, llegaron a la conclusión de que se trataba de una estructura esférica. Algunos miembros del equipo recordaron la cúpula goedésica que el arquitecto Buckminster Fuller había levantado en la Expo 67 en Montreal, les parecía que la molécula podría tener una estructura similar. Por fin, Smalley logró crear una estructura con veinte hexágonos y doce pentágonos que en su conjunto contenían los 60 átomos detectados en la molécula del experimento. Para asegurarse, Smalley llamó al matemático Bill Veech y le preguntó si tal estructura le resultaba familiar. La respuesta fue inmediata: “Te podría explicar esto de varias formas, pero lo que tenéis, chicos, es un balón de fútbol”.

El origen del nombre “fullereno”.

Los investigadores decidieron llamar a la nueva molécula “fullereno” en honor al arquitecto Buckminster Fuller que les había servido de inspiración. Diez años después de la publicación de este descubrimiento en la revista Nature, Kroto, Curl y Smalley fueron galardonados con el Premio Nobel de Química (el comité Nobel prohibe galardonar a más de tres, así que el resto del equipo se quedó fuera).

Los fullerenos y otras estructuras descubiertas después, como los nanotubos y el grafeno, tienen unas propiedades extraordinarias que son, hoy día, objeto de investigaciones de alto nivel. Un lugar en el que se realizan esas investigaciones es el Instituto de Nanociencia, nanotecnología y Materiales moleculares de la UCLM de la UCLM. Hoy hablamos con su director Fernando Langa de la Puente, catedrático de Química Orgánica en la Facultad de Ciencias Ambientales y Bioquímica de la Universidad de Castilla-La Mancha, en Toledo.
Les invitamos a escucharlo.

MÁS INFORMACIÓN

Grupo de Nanomateriales basados en fullerenos y nanotubos de carbono

Instituto de Nanociencia, nanotecnología y Materiales moleculares de la UCLM


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