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Tercer Milenio

Nanotecnología. La importancia de guardar las formas

El tamaño, y la forma, sí importan. ¿El tamaño? Muy pequeño; la escala es el nanometro: el resultado de dividir un milímetro en un millón de partes. ¿La forma? A la carta: láminas bidimensionales, láminas apiladas, cilindros, balones de fútbol huecos... La nanotecnología se encarga de controlar este pequeño mundo para que los materiales resultantes adquieran las propiedades que deseamos para su aplicación industrial. ¿Dónde? Desde superficies autolimpiables a células solares más eficientes o nuevos dispositivos electrónicos.

Recreación artística de una lámina de grafeno arrugada
grafeno
JANNIK MEYER

EN EL CIELO Y EN LA TIERRA

Millones de diminutos ‘balones de fútbol’ flotan en el espacio exterior. El telescopio espacial Spitzer, de la Nasa, ha hecho el sorprendente hallazgo: ha encontrado estas pequeñas moléculas de carbono con forma de pelota de fútbol, llamadas fulerenos, alrededor de los restos de tres estrellas en la Vía Láctea y en otra galaxia cercana. Ver que los fulerenos son mucho más comunes y abundantes en el Universo que lo que inicialmente se creía ha sido una sorpresa para los investigadores del Instituto de Astrofísica de Canarias que han liderado el equipo internacional de astrónomos que lo ha detectado. Y la apasionante pregunta que queda abierta es si estos ‘balones orgánicos’ pudieron ser el vehículo que proporcionó las ‘semillas’ para que comenzara la vida en la Tierra.

Estas moléculas están hechas de 60 átomos de carbono ordenados enestructuras esféricas tridimensionales. Sus patrones alternativos de hexágonos y pentágonos coinciden con el diseño de una típica pelota de fútbol blanca y negra. Pero no solo los telescopios espaciales van en pos de ellas. La investigación nanotecnológica trabaja en sus aplicaciones potenciales en materiales superconductores, dispositivos ópticos, medicinas, purificación de agua, blindajes...

¿Qué los hace tan interesantes? Cuando hablamos de nanotecnología, hablamos de un revolución científica y, probablemente, industrial. Hablamos de retos: trabajar con átomos o moléculas supone enfrentarse a fenómenos totalmente distintos a los que presentan los materiales a escala macroscópica. Pero también hablamos de conseguir propiedades sorprendentes.

GEMELOS MUY DISTINTOS

Ciertos nanomateriales se caracterizan por su forma. Fulerenos, nanotubos de carbono y grafeno comparten la misma fórmula pero sus propiedades son muy diversas. Todos son variedades alotrópicas del carbono a escala nanométrica. Igual que sucede con el diamante y el grafito a una escala mucho mayor.

Los primeros en descubrirse, los fulerenos, supusieron una auténtica revolución que les valió el premio Nobel de Química a Harry Kroto y Richard Smalley en 1996. En 1991, la revista ‘Nature’ publicó el descubrimiento de los nanotubos de carbono, llevado a cabo por Sumio Iijima durante el transcurso de su investigación sobre fulerenos. Además de presentar una forma distinta, ambas especies poseen propiedades que las hacen diferentes. Lo mismo ocurre con el grafeno, la tercera de estas estructuras, descubierta en 2004 por los recién nombrados premios Nobel Andre Geim y Konstantin Novoselov.

El grafeno, cada una de las capas individuales del grafito, tiene unas propiedades como material nanoestructurado completamente distintas a este y también a las de los nanotubos de carbono. Tan delgado como un átomo, el grafeno es el material más resistente que existe y conduce la electricidad de forma asombrosa, pues los electrones circulan por él sin dispersarse.

DEFECTOS PROVECHOSOS

¿Por qué da tanto juego el carbono? Es un elemento muy versátil, que se une con facilidad con los carbonos vecinos. Si se unen tres, tenemos una finísima lámina de grafeno, con los átomos organizados en una red hexagonal. Varias capas de grafeno apiladas dan lugar al grafito. Si se unen cuatro, resulta el diamante, donde los carbonos están organizados en tetraedros.

Además, el carbono incorpora sin dificultad defectos estructurales que dan lugar a otras formas básicas: los nanotubos de carbono no son más que grafeno enrollado en forma de cilindro; en la familia de los fulerenos, los doce pentágonos de su estructura son los responsables de la curvatura y el cierre de estas moléculas con forma de balón de fútbol. Quién hubiera dicho que un defecto daría tanto de sí.

Pero aún hay más. El carbono también da facilidades para incorporar (como un defecto) otros elementos dentro de su estructura. Esto permite dopar materiales para obtener propiedades completamente distintas a las del original. Otra vía de aportar valor añadido es acoplarle otros grupos funcionales.

La clave está, lógicamente, en dirigir la formación de estas diferentes nanoestructuras de carbono controlando la incorporación de ciertos tipos de defectos y también el acoplamiento de grupos funcionales. Gracias a la nanotecnología se definen estructuras -láminas bidimensionales, láminas apiladas, cilindros, ‘balones’ de fútbol...- y propiedades, con lo que se obtienen materiales a medida, de interés para una multitud de aplicaciones tecnológicas.

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