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    Un fullereno

    Los físicos resuelven el misterio de los 'fullerenos estables'

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    Especialistas de la Universidad Nacional de Investigaciones Nucleares de Moscú (MEPhI) han explicado el mecanismo de estabilidad de los fullerenos dopados, simplificando de esta forma su producción y uso industrial (por ejemplo, como nanocomponentes para la electrónica).

    El estudio viene resumido en un artículo publicado en la prestigiosa revista científica Physica E: Low-dimensional Systems and Nanostructures.

    El carbono es uno de los elementos químicos más comunes en la Tierra que forma parte de todos los compuestos orgánicos y de muchos inorgánicos. Hasta finales del siglo XX se conocían solo dos de sus alótropos: el diamante y el grafito. Últimamente, los científicos han descubierto muchas nuevas formas moleculares del carbono que ya se emplean en la electrónica, la farmacología y la industria de la energía.

    Una de estas formas con más futuro son los fullerenos, unos clústeres esféricos vacíos formados por entre 20 y varios cientos de átomos de carbono. Su descubrimiento fue galardonado con el Premio Nobel de Química en 1996. Y es que cada fullereno puede actuar como un dispositivo nanoelectrónico, por ejemplo un diodo o un transistor. Gracias a sus dimensiones, semejantes 'dispositivos' son muy eficientes y tienen una velocidad operativa excepcional.

    La siguiente etapa de desarrollo de la tecnología de los fullerenos vino a ser el uso de fullerenos modificados químicamente. Un método de modificación frecuente es el dopado que consiste en sustituir uno o varios átomos de carbono por átomos de otro elemento. Como resultado, la estructura general del fullereno se mantiene, pero su configuración electrónica y actividad química cambian. De esta forma, el dopado sustitutivo aumenta la variabilidad de las propiedades del fullereno y, por ende, amplía las posibilidades de su uso.

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    Por lo general, se utilizan como elementos sustitutivos el boro o el nitrógeno, los vecinos inmediatos del carbono en la tabla de Mendeléev, cuyos átomos tienen una masa y un tamaño muy similares a los del carbono. Además, los fullerenos dopados con estos elementos actúan como buenos absorbentes de fármacos y gases nerviosos al atraer eficazmente las impurezas.

    Estructuras atómicas de fullerenos C20 dopados con uno, dos o tres átomos de nitrógeno. Los picos grises y azules representan átomos de carbono y de nitrógeno, respectivamente
    Estructuras atómicas de fullerenos C20 dopados con uno, dos o tres átomos de nitrógeno. Los picos grises y azules representan átomos de carbono y de nitrógeno, respectivamente

    Estructuras atómicas de fullerenos C20 dopados con uno, dos o tres átomos de nitrógeno. Los picos grises y azules representan átomos de carbono y de nitrógeno, respectivamente.

    No obstante, el auge del interés por la síntesis industrial de fullerenos permitió detectar la presencia en la producción de fullerenos dopados con nitrógeno de un alto porcentaje de isómeros 'defectuosos', que tienen una estructura y propiedades distintas al resto. La acción de las altas temperaturas necesarias para la síntesis era la responsable del denominado 'defecto Stone-Wales', que provoca la desestabilización del esqueleto de fullereno. Y, lo que es importante, no existía este problema con los fullerenos dopados con boro, que resultaron ser resistentes a las altas temperaturas.

    Para explicar este fenómeno, los investigadores Konstantín Katin y Mijaíl Máslov, docentes de la cátedra de Física de Medios Condensados del Instituto de Nanotecnologías en Electrónica, Espintrónica y Fotónica de la Universidad MEPhI, llevaron a cabo un estudio en el que emplearon el fullereno más pequeño, formado por solo 20 átomos. Debido a su tamaño reducido es menos estable que otros fullerenos, y es por ello que tenía que revelar con más claridad las causas que daban origen a los defectos.

    La interacción entre los átomos de fullereno y la distribución de electrones en su interior se describía a través de modelos matemáticos especiales basados en las leyes de la mecánica cuántica. Para hacer los cálculos, los científicos utilizaron tanto paquetes de programas especializados como sus propios programas. La mayor dificultad fue determinar la geometría del punto de silla, es decir, de aquella configuración del fullereno atravesando la cual la excitación térmica normal se hace irreversible y provoca obligatoriamente la aparición del defecto.

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    Los resultados obtenidos en la Universidad MEPhI permitieron dar una explicación exhaustiva del mecanismo de estabilidad de los fullerenos dopados. A partir de ecuaciones de mecánica cuántica, los autores del estudio demostraron que, a diferencia del boro, incluso un único átomo de nitrógeno es capaz de desestabilizar el esqueleto de fullereno, lo que se debe a la presencia en el átomo de nitrógeno de un electrón más en comparación con el carbono.

    "Resulta que para destruir el fullereno original С20 hace falta emplear 4.93 eV de energía, y para destruir el fullereno dopado C19N son necesarios solo 2.98 eV. Los clústeres con un contenido mayor de nitrógeno son aún menos estables. Los datos obtenidos permiten concluir que los fullerenos dopados con nitrógeno son muy sensibles a la temperatura, ya que, disminuyendo la temperatura en el reactor en tan solo ~20°C, tendremos una reducción significativa del porcentaje de fullerenos defectuosos", explica Konstantín Katin.

    Tras ser publicado, el estudio ha suscitado gran interés de investigadores de distintos países dedicados al problema de la producción y el uso de fullerenos dopados. En los próximos años podría surgir una tecnología de síntesis de fullerenos dopados con nitrógeno a temperaturas reducidas que permita solucionar el problema de isómeros defectuosos y asegure la reproductibilidad de las propiedades de los clústeres obtenidos.

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