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Algunas de las formas de los compuestos de carbono se representan frente a una representación de una nebulosa planetaria. Cada patrón de átomos de carbono tiene sus propias propiedades y su propia firma infrarroja. Al igual que los diamantes, las bolas de Bucky son extremadamente fuertes y duraderas. La estructura plana de grafito, por ejemplo, es débil y se desmorona fácilmente, lo que permite que los lápices funcionen. Crédito: Pete Marenfeld (NOAO)

Las moléculas de carbono buckyball rara vez existen naturalmente en la Tierra. No obstante, eso no impidió que los astrónomos encontraran una abundancia inesperada de buckyballs en el espacio. Hace tres años, el Dr. Olivier Bern y el entonces profesor Xander Tielens, ambos de la Universidad de Leiden, sugirieron una forma de formar estas bolas de carbono bucky al tamizar el hidrógeno de moléculas de carbono-hidrógeno más grandes.

Ahora, un equipo de astroquímicos dirigido por el Dr. Junfeng Zhen que trabaja en el Laboratorio de Astrofísica Sackler en Leiden, presidido por el profesor Harold Linnartz, ha confirmado experimentalmente la parte subyacente de la idea teórica del Dr. Bern y el profesor Tielens de cómo se pueden formar las bolas de bucky al replicar el proceso que ocurre en el espacio utilizando su propio equipo de laboratorio.

Diversión con la química del carbono

Buckyballs no podría existir sin la versatilidad de carbonos. El carbono es el elemento más versátil, lo que permite que las moléculas de carbono adopten muchas formas o alótropos.

Las moléculas consisten en múltiples átomos unidos químicamente entre sí. Estos átomos pueden ser elementos diferentes, como el agua (H 2 O), pero no tienen por qué serlo, como el oxígeno (O 2 ). Sin embargo, las moléculas con un solo elemento no están restringidas a una sola forma. Por ejemplo, el oxígeno también puede formar ozono (O 3 ), que tiene una forma diferente a la del O 2 . Se dice que el oxígeno, en su forma de O 2 , es un alótropo diferente al oxígeno que el ozono, en su forma de O 3 . El oxígeno también tiene otros dos alótropos O 4 y O 8 que son mucho más extraños, pero mucho menos comunes.

Mientras tanto, el carbono tiene más de una docena de alótropos diferentes. A diferencia del oxígeno, estas formas no solo se diferencian por el número de moléculas en el alótropo. En cambio, los alótropos de carbono se definen por estructuras fundamentalmente diferentes. Aquí hay unos ejemplos:

  • El diamante, el alótropo de carbono más querido, existe en forma de celosía con moléculas de carbono unidas en ángulos tetraédricos.
  • El grafito que se encuentra comúnmente en la mina de lápiz existe como láminas o capas de teselaciones hexagonales apiladas y unidas entre sí.
  • El grafeno sobre el que ZME Science escribe con frecuencia por sus muchas propiedades innovadoras existe como una sola hoja de grafito. El grafeno también juega un papel como paso intermedio en la formación de buckyballs en el espacio.
  • Los fullerenos existen como una variedad de formas tridimensionales. Los fullerenos con 60 moléculas de carbono son una forma de C 60 . Estas 60 moléculas se pueden organizar como 20 hexágonos intercalados con 12 pentágonos. ¿Puedes imaginarte eso? Tiene exactamente la misma forma que un balón de fútbol normal, excepto que los fullerenos son huecos y no los fabrica Adidas.

Se sabe que solo uno de los objetos anteriores existe en el espacio interestelar. (Nota: no está a escala. ¡Las moléculas son mucho más pequeñas que los balones de fútbol!) [1] Molécula Buckyball, crédito: James Hedberg bajo licencia Creative Commons [2] Balón de fútbol, ​​crédito: Nikys Sports Los científicos que nombraron al C 60 aparentemente no lo estaban grandes fanáticos del fútbol y, en cambio, llamaron a la molécula buckyball o fullereno en honor al arquitecto Buckminster Fuller, quien diseñó cúpulas que también se asemejan a la forma de la molécula. En su defensa, hay otros alótropos de carbono aún más grandes (como el C 70 ) que también pertenecen a la clase de los fullerenos y estos no se parecen a balones de fútbol (aunque el C 70 se parece un poco a un balón de rugby, pero no exactamente) .

Caminos para hacer Buckyballs C 60

Para hacer una molécula con 60 átomos de carbono, debe comenzar con al menos 60 átomos de carbono. Hay dos formas posibles de obtener 60 de estos átomos. (1) Como una opción, puede comenzar con un grupo de moléculas más pequeñas que cada una tiene algunos átomos de carbono y luego combinarlas. (2) O, como alternativa, puede comenzar con una molécula más grande con al menos 60 átomos de carbono y luego dividirla.

Este diagrama de flujo muestra cómo formar C60 en el espacio. (1) Primero, en la parte superior izquierda, comienza con una molécula de PAH de carbono (azul) e hidrógeno (blanco). (2) Luego, los fotones golpean y eliminan algunos de los átomos de hidrógeno (blanco). (3) Eventualmente, los fotones eliminan todo el hidrógeno, dejando solo átomos de carbono (azul) en forma de grafeno. (4) Finalmente, en la parte inferior derecha, el grafeno se reorganiza en una buckyball C60. Crédito en primer plano: Universidad de Leiden Linnartz/Tielens; Crédito de fondo: HST/NASA, Alessandra Candian

Hace tres años, el Dr. Olivier Bern y el profesor Xander Tielens (el profesor Tielens también participó en este estudio, mientras que el Dr. Bern no lo estuvo) argumentaron que al menos parte del C 60 debe formar a partir del segundo método la descomposición de un mayor molécula. El C 60 que los astrónomos ya han descubierto vive en el espacio interestelar. Si el primer método fuera la fuente de la gran cantidad de C 60 que observan los astrónomos, requeriría que el espacio interestelar fuera lo suficientemente denso como para tener una cantidad lo suficientemente grande de moléculas más pequeñas basadas en carbono para hacer probables los mecanismos de combinación.

Pero, el espacio interestelar se define como una región sin estrellas en absoluto. El espacio interestelar entre las estrellas es una gran nada compuesta solo de gas y polvo. Tendría que ser diez millones de veces más denso para que el primer método fuera realista. Por lo tanto, el segundo método, una molécula más grande, debe ser la fuente predominante para la mayoría, si no para todos los C60.

En el espacio interestelar, los PAH son una opción obvia para una molécula tan grande. Los PAH son hidrocarburos formados por una teselación hexagonal bidimensional plana de átomos de carbono con algunos átomos de hidrógeno adicionales unidos. Cada molécula de PAH es esencialmente grafeno con átomos de hidrógeno adheridos al borde de la hoja. Los astrónomos han sospechado durante mucho tiempo que los PAH son responsables de un patrón de banda inusual que se encuentra en la mayoría, si no en todos, los espectros interestelares. Dado que el patrón de banda es tan común, esto implica que los PAH se encuentran en casi todas partes del espacio interestelar y, por lo tanto, son un buen candidato para formar C 60 .

C 66 H 26 es uno de esos PAH que podría descomponerse en C 60 presumiblemente con fotones. Las regiones del espacio interestelar donde se han encontrado buckyballs están expuestas a grandes cantidades de radiación ultravioleta. Parte de la radiación golpea la molécula de PAH, y cada fotón UV elimina uno de los átomos de hidrógeno. Con 26 impactos de fotones UV, cada uno de los 26 átomos de hidrógeno se elimina uno por uno. En este punto, el PAH se ha convertido en una lámina de grafeno de 66 átomos. Los próximos 3 fotones UV eliminarán cada uno 2 carbonos, dejando exactamente 60 átomos de carbono restantes. Luego, como paso final, es natural que el grafeno plano que queda se reorganice en un buckyball C 60 en este entorno.

Desglose de PAH en C 60 Buckyballs

En el Laboratorio Sackler de la Universidad de Leiden, el Dr. Junfeng Zhen y su equipo atraparon moléculas individuales de C 66 H 26 + PAH usando una trampa de iones y las sometieron a radiación ultravioleta para simular las condiciones en el espacio. Encontraron bolas de bucky C 60 en los productos del experimento, lo que confirma la base de la teoría del Dr. Berns.

El éxito de los experimentos en el Laboratorio Sackler demuestra dos puntos importantes. (1) Si el C 60 puede formarse a partir de la descomposición de moléculas más grandes, entonces otros tipos de moléculas en el espacio también podrían formarse de esta manera, en lugar del método habitual de formación mediante la combinación de moléculas más pequeñas. (2) Formar C 60 de esta manera a partir de PAH más grandes requiere que el grafeno se forme en un paso intermedio. Por lo tanto, este experimento presenta otra forma de crear grafeno esta vez, al eliminar los átomos de hidrógeno de las moléculas de PAH. Al igual que con cualquier método nuevo para crear grafeno, esto puede ayudar a los investigadores a descubrir aún más propiedades interesantes de los grafenos.

La próxima vez que mire hacia el cielo nocturno hacia el espacio en las nebulosas entre las estrellas (y, por supuesto, solo si tiene visión infrarroja), sepa que también está viendo un destello de buckyballs en el espacio y no es tan extraño que ellos hay.

El artículo del Dr. Olivier Berns de 2012 sobre el estudio teórico de C 60 en el espacio se puede encontrar aquí: http://arxiv.org/pdf/1111.0839v3.pdf

El artículo del Dr. Junfeng Zhen sobre los experimentos de laboratorio que confirman el trabajo del Dr. Berns se puede encontrar aquí: http://arxiv.org/pdf/1411.7230v1.pdf

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