El carbono se puede organizar en varias configuraciones. Cuando cada uno de sus átomos está unido a otros tres átomos de carbono, es un grafito relativamente blando. Agregue solo un enlace más y se convertirá en uno de los minerales más duros conocidos, el diamante. Organice 60 átomos de carbono en forma de balón de fútbol y boom, tendrá fullerenos, una molécula compuesta por carbono que puede adoptar una forma geométrica que recuerda a una esfera, un elipsoide, un tubo (llamado nanotubo) o un anillo.
¿Pero un anillo de átomos de carbono, donde cada átomo está unido a solo otros dos, y nada más? Ese fue un reto para los científicos durante 50 años. Sus mejores intentos fueron un anillo de carbono gaseoso que se disipó rápidamente.
Por lo tanto, es un gran problema que un equipo de investigadores, de la Universidad de Oxford e IBM Research, haya creado un anillo de carbono estable.
El compuesto de carbono en forma de anillo, llamado ciclocarbono, está hecho de 18 átomos de carbono, el ciclocarbono más pequeño que se predice que es termodinámicamente estable. Y las técnicas avanzadas de microscopía han proporcionado imágenes de ello.
Mucho después de que la mayoría de los químicos habían dejado de intentarlo, un equipo de investigadores sintetizó la primera molécula en forma de anillo de carbono puro, un círculo de 18 átomos. Una investigación que fue publicada hace unos días en la revista Science.
Los químicos comenzaron con una molécula triangular de carbono y oxígeno, que manipularon con corrientes eléctricas para crear el anillo de carbono 18. Los estudios iniciales de las propiedades de la molécula, llamada ciclocarbono, sugieren que actúa como un semiconductor, lo que podría hacer que cadenas de carbono lineales similares sean útiles como componentes electrónicos a escala molecular.
Es un “trabajo absolutamente impresionante” que abre un nuevo campo de investigación, dice Yoshito Tobe, químico de la Universidad de Osaka en Japón. “Muchos científicos, incluido yo mismo, hemos tratado de capturar los ciclocarbonos y determinar sus estructuras moleculares, pero en vano”, dice Tobe.
El carbono puro viene en varias formas diferentes, incluyendo diamantes, grafito y “nanotubos”. Los átomos del elemento pueden formar enlaces químicos consigo mismos en varias configuraciones: por ejemplo, cada átomo puede unirse a cuatro vecinos en un patrón en forma de pirámide, como en el diamante; o tres, como en los patrones hexagonales que forman las láminas de grafeno de un solo átomo de espesor. Este patrón de tres enlaces también se encuentra en el grafito a granel, así como en los nanotubos de carbono y en las moléculas globulares llamadas fullerenos.
Pero el carbono también puede formar enlaces con solo dos átomos cercanos. El químico ganador del premio Nobel, Roald Hoffmann, de la Universidad de Cornell en Ithaca, Nueva York, y otros han teorizado durante mucho tiempo que esto conduciría a cadenas puras de átomos de carbono. Cada átomo puede formar un enlace doble en cada lado, lo que significa que los átomos adyacentes comparten dos electrones, o un enlace triple en un lado y un enlace simple en el otro. Varios equipos han intentado sintetizar anillos o cadenas basados en este patrón.
Pero debido a que este tipo de estructura es más químicamente reactivo que el grafeno o el diamante, es menos estable, especialmente cuando está doblado, dice el químico Przemyslaw Gawel, de la Universidad de Oxford, Reino Unido. Sintetizar cadenas y anillos estables generalmente ha requerido la inclusión de elementos distintos al carbono. Algunos experimentos han sugerido la creación de anillos de carbono en una nube de gas, pero no han podido encontrar pruebas concluyentes.
Un anillo
Gawel y sus colaboradores ahora han creado e imaginado la molécula de anillo largamente buscada carbono-18. Usando química estándar “húmeda”, su colaborador Lorel Scriven, químico de Oxford, sintetizó por primera vez moléculas que incluían cuadrados de cuatro carbonos que salían del anillo con átomos de oxígeno unidos a los cuadrados. Luego, el equipo envió sus muestras a los laboratorios de IBM en Zurich, Suiza, donde los colaboradores colocaron las moléculas de oxígeno y carbono en una capa de cloruro de sodio, dentro de una cámara de alto vacío. Manipularon los anillos uno a la vez con corrientes eléctricas (usando un microscopio de fuerza atómica que también puede actuar como un microscopio de barrido y tunelización), para eliminar las partes extrañas que contienen oxígeno. Después de mucho ensayo y error, los escaneos micrográficos revelaron la estructura de 18 carbonos.
Los investigadores de IBM mostraron que los anillos de 18 carbonos tenían enlaces triples y simples alternos. Los resultados teóricos no estuvieron de acuerdo sobre si el carbono-18 tendría este tipo de estructura, o una hecha completamente de dobles enlaces.
Los tipos de enlaces alternos son interesantes porque se supone que dan a las cadenas y anillos de carbono las propiedades de los semiconductores. Los resultados sugieren que las cadenas de carbono largas y rectas también podrían ser semiconductores, dice Gawel, lo que podría hacerlos útiles como componentes de futuros transistores de tamaño molecular.
Por ahora, los investigadores estudiarán las propiedades básicas del carbono-18 que han podido hacer una molécula a la vez solamente. También seguirán probando técnicas alternativas que podrían producir mayores cantidades.
