Alótropos del carbono: grafito, diamante, grafeno, nanotubos y fullerenos

El carbono, un elemento fundamental en la naturaleza, se presenta en diversas formas estructurales conocidas como alótropos, cada una con propiedades y aplicaciones únicas. Desde la dureza inigualable del diamante hasta la versatilidad del grafeno, estos materiales están revolucionando la ciencia y la tecnología.

Grafito

Los átomos de carbono se unen entre sí mediante tres fuertes enlaces covalentes, formando láminas de hexágonos. Estas láminas o capas, unidas entre sí por fuerzas de Van der Waals más débiles, son muy fáciles de separar. La posibilidad de escribir con un lápiz se debe a esta propiedad: las láminas de carbono se desprenden de la mina y se adhieren al papel. Se podría decir que el grafito está constituido por láminas de grafeno superpuestas. Cada átomo posee un electrón libre que puede moverse con cierta facilidad, lo que confiere al grafito propiedades conductoras de la electricidad.

Diamante

La estructura del diamante es una red en la que cada átomo de carbono comparte electrones con cuatro de sus átomos vecinos, formando un total de cuatro fuertes enlaces covalentes simples. Esto le confiere elevadísimos puntos de fusión y ebullición, así como su principal propiedad: una dureza extrema que lo convierte en un material ideal para herramientas de pulido o de corte. A diferencia del grafito, no es conductor de la electricidad. El diamante solo se puede obtener a partir del carbono grafito, sometiéndolo a altas presiones y altas temperaturas.

Grafeno (Descubierto en 1930, Premio Nobel en 2010)

El grafeno es una red de átomos de carbono con solo dos dimensiones: largo y ancho. La unidad básica que se repite consiste en seis átomos de carbono con enlaces covalentes, formando un patrón hexagonal. Es transparente y un excelente conductor de la electricidad. Además, es flexible y elástico, lo que lo hace adecuado para la construcción de pantallas táctiles, paneles luminosos y, potencialmente, células solares. Incluso algunos plásticos podrían convertirse en conductores al ser mezclados con tan solo un 1% de grafeno. Presenta un menor efecto Joule y, para una misma tarea que el silicio, tiene un menor consumo de electricidad. El grafeno se utiliza como blindaje antibalas y también en la fabricación de coches más seguros e irrompibles, gracias a sus componentes altamente resistentes.

¿Sustituto potencial del silicio?

Conocido desde 1930, nuevos estudios reconocidos con el Premio Nobel en 2010 sugieren su potencial para revolucionar la electrónica.

Nanotubos de Carbono (Descubiertos en 1991)

Los nanotubos de carbono pueden considerarse el resultado de enrollar láminas de grafeno sobre sí mismas, formando estructuras en forma de tubo. Su diámetro es unas 10 000 veces inferior al de un cabello humano. Según la forma en que se produzca este enrollamiento, se pueden obtener distintos tipos de tubos con propiedades diferentes, incluso estructuras de tubos dentro de tubos. Son 20 veces más resistentes a la tensión que el acero y tienen la mitad de densidad que el aluminio, además de ser excelentes conductores eléctricos y térmicos. Hoy en día se fabrican varias miles de toneladas de nanotubos al año, y su utilidad abarca diversas aplicaciones como baterías recargables, piezas de automóviles, artículos deportivos (por ejemplo, cascos de barco) y filtros de agua. Incluso se utilizan en bicicletas del Tour de Francia, logrando cuadros un 20% más ligeros que los convencionales (con un peso total de 6,69 kg). Se han creado incluso nanorrodamiemtos y nanomotores.

Fullerenos (Descubiertos en 1985)

Estructura

Moléculas con estructura esférica hueca compuestas por átomos de carbono con enlaces covalentes.

Propiedades y Aplicaciones Potenciales

Continúan bajo un intenso estudio. Al estar huecos, se pueden 'rellenar' con distintos átomos o compuestos que les confieren propiedades específicas. Es decir, podrían funcionar como cápsulas, teniendo aplicaciones potenciales en nanotecnología, resistencia térmica, superconductividad y medicina. Si al fullereno le introducimos lantano, obtenemos un superconductor. Si se introducen en su interior antibióticos específicos, se podrían atacar bacterias resistentes o dirigir terapias de forma concreta a células cancerígenas, como las del melanoma.

Todavía no se administran a nivel médico, ya que todas las sustancias destinadas a la salud humana tardan décadas en ser aprobadas y requieren exhaustivos ensayos. Además, existe cierta controversia con respecto a su toxicidad.