Fullerenos

Los fullerenos son estructuras huecas formadas exclusivamente por carbono con una forma aproximadamente esférica (estrictamente, un poliedro con un elevado número de caras).

Cada átomo de carbono está enlazado a otros tres, es decir, posee un estado de hibridación sp2 y toda la molécula es aromática (similarmente, en principio, a lo que ocurre en el grafito y el grafeno, pero véase la nota a). A pesar de ello, la estructura obviamente no es plana, sino que los 3 enlaces de cada carbono se desvían hacia un mismo lado. Como consecuencia, existe una tensión, pero la elevada simetría la distribuye por igual sobre toda la estructura. Dicha tensión se reduce, obviamente, cuanto más grande es el fullereno.
Desde el punto de vista geométrico tal estructura cerrada sólo es compatible con 12 anillos  pentagonales y un número variable de anillos hexagonales (equivalentes al benceno). En todos los fullerenos se cumplen estas relaciones:


p = 12;    c = 2 × (h+10);    h = c/2 − 10
(p = nº de pentágonos;  h = nº de hexágonos;  c = nº de carbonos)


El más pequeño posible se denomina C20 y está formado exclusivamente por 12 pentágonos, sin ningún anillo hexagonal (es un dodecaedro con 20 átomos de carbono). El primer fullereno descubierto por Kroto y col., el C60, tiene 20 hexágonos además de los 12 pentágonos (se puede considerar un icosaedro truncado, figura 5) y, además de su similitud con las cúpulas geodésicas de Buckminster Fuller, es completamente análogo a los balones de fútbol tradicionales (blancos con pentágonos negros).
Mientras  todos los anillos hexagonales pueden considerarse equivalentes al benceno, los  pentagonales no son tan favorables para alojar electrones (o, formalmente, dobles enlaces); por ello, la deslocalización no es total y la estructura del fullereno no es completamente superaromática, sino que se comporta más  como un alqueno deficiente en electrones y reacciona con facilidad con compuestos nucleófilos como los halógenos. Se ha comprobado que los fullerenos C60 y C70 pueden captar hasta 6 electrones en sucesivas reacciones de reducción reversibles.
Algunos  fullerenos mayores, con cientos de átomos de carbono,  son  grandes pseudoesferas huecas, pero también se forman fullerenos multilamelares –de varias capas–, donde cada estructura queda encerrada en otra mayor; a éstos se les ha dado el intuitivo nombre de “nanocebollas”.


Formación y producción


Los fullerenos se pueden formar en la naturaleza, como consecuencia de fuegos o rayos. Sin embargo, es mucho más significativa su producción artificial en el laboratorio y en la industria. 
Inicialmente se consiguió vaporizando grafito  con un láser pulsado. En seguida se descubrió que bastaba una instrumentación mas asequible, la descarga de un arco eléctrico entre dos electrodos de grafito en una atmósfera inerte de helio (figura  6); este método lo inventaron en 1990 Wolfgang Krätschmer  y  Donald Huffman y al año siguiente fue objeto de patente europea. Del “hollín”formado sobre el cátodo se extraen  los fullerenos  disolviéndolos en benceno u otros disolventes orgánicos.


Empleando corrientes de alrededor de 50 amperios parte del grafito se vaporiza y 
posteriormente condensa sobre las paredes de la cámara de reacción y sobre el cátodo. La clave no parece ser tanto el método  de vaporización como las condiciones en las que tiene ocasión de condensar. Principalmente,  ajustando la presión del helio se controla la velocidad con la que los átomos de carbono en el vapor se alejan del electrodo caliente, y así se  modula a su vez la temperatura y la densidad de los radicales de carbono que conducen a la formación de agregados de tipo fullereno C60 –o, alternativamente, a otras estructuras como los nanotubos–. El rendimiento de fullereno C60 puede alcanzar el 40% de todo el carbono vaporizado.


Otros métodos alternativos –especialmente para los fullerenos mayores– incluyen la pirólisis de diversos compuestos aromáticos, el uso de una llama de benceno, o la evaporación con un haz de electrones o por pulverización catódica (vaporización de átomos de un sólido por bombardeo con iones). A partir de estas posibilidades se ha desarrollado una nueva rama de la química, con aplicaciones en áreas diversas, como la astroquímica, la superconductividad, o la física y química de materiales.


Propiedades
La forma cerrada  y altamente simétrica de los fullerenos tiene como consecuencia que sean estructuras de gran resistencia física: bajo presiones extremas –como 3.000 atm– se deforman, pero regresan a su estructura inicial al relajar la presión. Por ello su adición a algunos materiales poliméricos les aporta resistencia.


Los fullerenos (habitualmente con un tamaño cercano a 1 nm) se asocian espontáneamente formando agregados de varias moléculas que alcanzan tamaños desde 10 nm hasta varias micras. 


Suelen formar un hollín, polvo negro muy fino, pero también cristalizan formando fullerita. La  densidad de los fullerenos es moderada, cercana a 1,65.  Finalmente, aunque no en agua, pueden solubilizarse en disolventes como benceno, tolueno y cloroformo.
Debido a las uniones intermoleculares débiles mediante fuerzas de van der Waals, el hollín de fullerenos posee propiedades lubricantes (en especial los fullerenos más grandes, las nanocebollas o bucky-cebollas).


Se ha observado asimismo la acción de las nanocebollas como catalizadores (para ello deben convertirse a otra estructura menos organizada), por ejemplo en la producción de estireno a partir de etilbenceno, mejorando el rendimiento en un 12%.


Aplicaciones


Se han propuesto numerosas aplicaciones potenciales para los fullerenos, aunque su utilización real avanza más lentamente. Cabe citar la química de síntesis, como catalizadores, la fabricación de células solares, en fotodetectores de rayos X, en telecomunicaciones, como recolectores de radicales libres, en pilas de combustible... Dado que sus propiedades ópticas cambian mucho al exponerse a la luz, se propone también su uso en dispositivos fotónicos.
Se ha sugerido incluso su  uso como inhibidor de la proteasa del  virus de inmunodeficiencia humana (VIH), cuyo sitio activo tiene forma cilíndrica con un diámetro similar al del fullereno C60y está recubierto casi exclusivamente por residuos aminoácidos hidrófobos, un entorno favorable para la fijación del fullereno, que bloquea así el centro activo e impide la propagación del virus