Científicos logran sintetizar el primer anillo de carbono puro

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El compuesto ha sido bautizado con el nombre de «Ciclocarbono» y esta constituido por 18 átomos de carbono. ¿Se abre con esto un nuevo camino hacia los Transistores moleculares»?

Mucho después de que la mayoría de los investigadores 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.

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. Los resultados aparecen en la revista Science (Ver referencias) el 15 de agosto.

«Muchos científicos, incluido yo mismo, hemos tratado de capturar los ciclocarbonos y determinar sus estructuras moleculares, pero en vano»,

Yoshito Tobe, Universidad de Osaka
Investigadores han creado el primer anillo molecular formado por Carbono-18 en su totalidad. Imagen microscópica. Universidad de Osaka

El carbono puro viene en varias formas diferentes, incluyendo diamantes, grafito, nanotubos y Fullerenos. 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).

Aleótropos del Carbono: a)Diamante; b) Grafito; c) Lonsdaleita; d) Buckminsterfullereno; e) Carbono amorfo; f) Grafeno

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.

Tetravalencia del carbono. Propiedad básica de la que se fundamenta la teoría de Hoffman

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. Utilizando la 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 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 exploración de túnel), para eliminar las partes extrañas que contienen oxígeno. Después de mucho ensayo y error, los escaneos micrográficos revelaron la estructura de 18 carbonos. «Nunca pensé que vería esto», dice Scriven.

«Nunca pensé que vería esto»

Scriven, Universidad de Oxford

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. «Esta es hasta ahora una investigación muy fundamental», dice Gawel.

«El trabajo es hermoso», dice Hoffmann, aunque agrega que queda por ver si el carbono-18 es estable cuando se levanta de la superficie de la sal, y si se puede sintetizar de manera más eficiente que una molécula a la vez.

Referencias

  1. Kaiser, K. y col. Science https://doi.org/10.1126/science.aay1914 (2019).
  2. Castelvecchi D. Chemists make first-ever ring of pure carbon. (2019). Nature. Disponible en: https://www.nature.com/articles/d41586-019-02473-z#ref-CR1.
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