Fulerenos y Nanotubos: Propiedades, Síntesis y Aplicaciones de Materiales de Carbono

Fulerenos: Estructuras Moleculares de Carbono

Denominamos **fulerenos** a las formas moleculares del carbono. Sin embargo, el **fulereno C60** es el nombre específico de la molécula de 60 átomos de carbono, la más conocida de esta familia.

Características del Enlace en Fulerenos

• Cada átomo de carbono está coordinado a tres átomos más con orbitales sp2 o próximos, ya que es necesario añadir pentágonos para que la esfera pueda cerrarse.
• Debido a la presencia de estos **pentágonos** entre los hexágonos, los electrones no están deslocalizados de forma homogénea en todos los anillos, puesto que estos anillos no presentan el mismo número de átomos.
• La **reactividad** de los fulerenos se aproxima más a la de los **alquenos** que a la de los compuestos superaromáticos.
• El fulereno presenta **deficiencia electrónica**, por lo que reacciona con **nucleófilos**.
• Su **baja reactividad** se debe a la elevada estabilidad de sus enlaces, similar a lo que ocurre con una lámina de **grafito** (grafeno).
• Presenta **baja solubilidad**.

El fulereno se define como un **icosaedro truncado** con 60 vértices. Posee 32 caras, de las cuales 12 son pentagonales y 20 hexagonales.

Fulerita: El Sólido Molecular del Fulereno

La **fulerita** es el sólido molecular del fulereno. Presenta un **empaquetamiento cúbico compacto** de moléculas de C60. Es importante destacar que no se empaquetan átomos, sino moléculas.

• Es un sólido que presenta **baja densidad**: ρ = 1,65 g/cm³.
• Se trata de una especie bastante **polarizable**, por lo que se establecen interacciones intermoleculares relativamente fuertes.
• Se trata de un **semiconductor**, ya que presenta un GAP (banda prohibida) de aproximadamente 1,6 eV.

Obtención de Fulerenos

La obtención de fulerenos se lleva a cabo en una cámara donde se genera **vacío**. Se produce la descarga de un **arco eléctrico** entre dos electrodos de grafito en presencia de una atmósfera inerte (generalmente helio, que modula el rendimiento).

Cuando se produce dicha descarga sobre el grafito, se genera un **vapor** que se condensa en las paredes de la cámara. En ellas se encontrarán estructuras muy diversas, incluyendo fulerenos.

Se trata de un proceso patentado de **elevado rendimiento**, alcanzando entre el 50% y el 55% de C60 al ajustar la presión del helio. El arco es un **arco eléctrico de grafito**. La cámara cuenta con dos electrodos y una fuente de corriente. Es el mismo procedimiento que se utiliza para obtener **nanotubos**.

Aplicaciones de los Fulerenos

• Catalizadores

  Son muy inertes, por lo que no participan directamente en las reacciones que catalizan.

• Dispositivos Fotoelectrónicos

• Células Fotovoltaicas Poliméricas

  • El fulereno actúa como **aceptor de electrones**.
  • El polímero conjugado es un **donante de electrones**.

  Se mezclan el fulereno y el polímero conjugado. En las interfaces de estos materiales, la **radiación lumínica** provoca la separación de cargas, moviendo electrones y generando la separación de **pares electrón-hueco**.

  Comparación con Células Fotovoltaicas de Silicio

  En una celda de silicio, un panel de este material (semiconductor) al ser sometido a radiación de luz visible que coincide con su GAP (banda prohibida), establece un tránsito de **pares electrón-hueco**. Un proceso similar ocurre con las células fotovoltaicas poliméricas.

  El fulereno posee **elevada flexibilidad**, bajo volumen y bajo peso, lo que ha permitido diversificar las aplicaciones a las que se orientan estas células fotovoltaicas.

Nanotubos: Estructuras Unidimensionales de Carbono

Los **nanotubos** no son un material molecular, ya que poseen una dimensionalidad limitada en cuanto a su diámetro, pero la otra dimensión no está limitada. La **coordinación** es igual para todos los átomos de carbono, es decir, no hay anillos pentagonales. Sin embargo, aunque el índice de coordinación es el mismo para todos, el enlace no es exactamente igual.

Los nanotubos son estructuras huecas con un diámetro de aproximadamente 2 Å, lo que permite rellenarlos con:

• Un metal, dando lugar a los **nanoconductores**.
• Hacer crecer nanotubos en los llamados **bosques de nanotubos** sobre una determinada superficie. Estos bosques de nanotubos se pueden utilizar para el **almacenamiento de hidrógeno**. El almacenamiento de hidrógeno es un desafío debido a la elevada difusividad de este gas. Los nanotubos se rellenan de hidrógeno y, por **capilaridad**, también hay hidrógeno entre los nanotubos, lo que permite almacenar una mayor cantidad de volumen. Sin embargo, extraer el hidrógeno almacenado es un proceso complejo.

Los nanotubos son estructuras muy **resistentes** desde un punto de vista mecánico. Son **elásticos** y **ligeros**, lo que les permite modular la **conductividad térmica y eléctrica** en función del número de paredes que posean.