Los fullerenos son una forma alotrópica del elemento carbono. Son moléculas formadas únicamente por este elemento, con forma de jaulas cerradas. El más famoso es el que está compuesto por 60 átomos de carbono: C60 (“buckminsterfullereno”); ya que fue el primero en ser descubierto --hace ya más de 30 años-- y el que supuso un gran avance para la nanotecnología. Hoy en día sabemos que este tipo de moléculas han existido en La Tierra y en el espacio desde tiempos inmemorables.
Recientemente, la química de los fullerenos se ha enriquecido enormemente por tener la posibilidad de albergar en su interior átomos de distintos elementos o moléculas que forman diferentes compuestos. Esta nueva familia de nanoestructuras de carbono, los denominados “fullerenos endoédricos”, muestra características estructurales y propiedades electrónicas drásticamente distintas a sus homólogos vacíos, y tienen múltiples aplicaciones en el campo de la biomedicina, las células fotovoltaicas, los materiales o la astrofísica.
En comparación con el limitado número de fullerenos puros (jaulas vacías), se han sintetizado e identificado una gran variedad de fullerenos endoédricos, con diferentes tamaños de jaula (de C66 a C104). Estos compuestos pueden adoptar diferentes formas de ordenamiento de los átomos de carbono en la jaula para un mismo tamaño: isómeros estructurales. Una de las preguntas fundamentales es cómo saber cuál es la estructura que realmente se produce en el laboratorio, entre un enorme número (miles o incluso millones) de posibles isómeros.
Un equipo de investigadores de la Universidad Autónoma de Madrid (UAM), el Instituto IMDEA-Nanociencia y el Centro de Física de la Materia Condensada IfiMAC-UAM ha dado a conocer recientemente las reglas básicas que explican la estabilidad de los posibles isómeros --diferentes disposiciones que pueden presentar los átomos de carbono-- en los fullerenos endoédricos. Los resultados obtenidos han sido publicados en la prestigiosa revista Journal of the American Chemical Society.
“Entre todos los posibles patrones estructurales que muestran los fullerenos, descubrimos que algunos de ellos son los que determinan la estabilidad de los compuestos endoédricos. Simplemente localizando y contando estos patrones se puede predecir de forma muy sencilla cuáles son las estructuras sintetizadas en los experimentos sin necesidad de realizar cálculos muy elaborados. Estas reglas están bien justificadas, ya que se han corroborado mediante simulaciones muy precisas basadas en cálculos de química cuántica llevados a cabo sistemáticamente para todos los fullerenos endoédricos con tamaños que oscilaban entre C66 y C110”, explican los miembros del equipo, conformado por Yang Wang, Sergio Díaz-Tendero, Fernando Martín y Manuel Alcamí.
Los patrones estructurales en los fullerenos endoédricos
La estructura de un fullereno está compuesta por átomos de carbono que se unen formando anillos de cinco y seis miembros; es, por lo tanto, un poliedro con caras pentagonales y hexagonales. El número de caras pentagonales es exactamente 12 y el número de caras hexagonales depende del tamaño de la jaula, es decir, del número de átomos de carbono de la molécula.
Existe un elevado número de posibilidades de organizar los pentágonos y hexágonos; cada una de estas disposiciones se llama isómero. Por ejemplo, para la molécula con 90 átomos de carbono, C90, podemos encontrar alrededor de 100.000 isómeros distintos. Por eso, la búsqueda del isómero más estable es una tarea muy exhaustiva y casi imposible, si se tienen que analizar en profundidad cada uno de los compuestos.
Este problema se ha resuelto de una forma muy elegante por el grupo de investigadores de la UAM, IMDEA-Nanociencia e IfiMAC-UAM.
El método propuesto consiste en clasificar las caras hexagonales de los isómeros, dependiendo del número de caras pentagonales vecinas que tenga y de cómo estén ordenadas; de esta forma, se pueden encontrar ocho tipos de hexágonos. Estos ocho patrones estructurales determinan, esencialmente, la estabilidad relativa de los fullerenos endoédricos; es decir, que con un simple vistazo a las caras pentagonales y hexagonales somos capaces de predecir la estabilidad relativa de los cientos de miles (incluso millones) de isómeros para fullerenos endoédricos.
Cada uno de los patrones participa estabilizando o desestabilizando al correspondiente isómero con una cierta cantidad que ha sido evaluada mediante un tratamiento matemático basado en simulaciones de química cuántica. Por consiguiente, la simple suma de cada una de estas cantidades nos permite evaluar de forma muy precisa la estabilidad relativa de los isómeros.
“La interpretación sobre cómo estabilizan o desestabilizan cada uno de los patrones básicos encontrados ha sido llevada a cabo teniendo en cuenta efectos electrónicos, de tensión anular y de aromaticidad. De esta manera, hemos podido demostrar que conceptos fundamentales usados comúnmente en Química Orgánica también pueden aplicarse a los fullerenos endoédricos. Creemos que estos resultados pueden ser de gran utilidad para entender en profundidad la química de los fullerenos y poder así diseñar nuevos materiales con diversas propiedades”, concluye Yang Wang, químico teórico del “Departamento de Química” de la UAM y autor principal del trabajo.
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Referencia bibliográfica:
Y. Wang, S. Díaz-Tendero, F. Martín and M. Alcamí. “Key Structural Motifs To Predict the Cage Topology in Endohedral Metallofullerenes”. Journal of the American Chemical Society. DOI: 10.1021/jacs.5b10591
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