Químicos de la Universidad de Brown han mostrado la primera evidencia experimental de que las buckybolas de carbono, que lanzaron la revolución nanotecnológica, tienen un primo formado por 80 átomos del elemento boro.
El mundo a nanoescala parece tener una nueva pelota que patear.
Investigadores de la Universidad de Brown han mostrado la primera evidencia experimental de una molécula «buckyball» formada por 80 átomos de boro. La nueva estructura es prima de la buckybola de carbono, conocida formalmente como Buckminsterfullereno, una molécula con forma de balón de fútbol hecha de 60 átomos de carbono que ayudó a lanzar la revolución de la nanotecnología cuando fue descubierta hace poco más de 40 años.
La evidencia de la nueva nanoestructura proviene de la espectroscopia fotoelectrónica, que proporciona una especie de huella digital para diferentes formas y estructuras moleculares.
«Realmente no pensé que esta estructura fuera a ser estable y que íbamos a refutar su existencia», dijo Lai-Sheng Wang, profesor de química en Brown y autor correspondiente del artículo. «Pero cuando mi alumno me mostró el espectro del grupo de boro-80 después de regresar de un viaje, no podía creerlo».
El estudio se publica en ciencia quimica.
El carbono ha sido durante mucho tiempo la estrella del mundo de la nanotecnología. La configuración de sus electrones le permite crear todo tipo de formas interesantes, incluidas buckybolas, nanotubos y láminas de grafeno de un átomo de espesor, que han encontrado usos en tecnología energética, medicina y más. Wang ha estado trabajando durante casi 30 años para ver si el boro, vecino del carbono en la tabla periódica, podría formar estructuras similares. De ser así, las estructuras podrían tener propiedades aún más interesantes que sus primas de carbono.
En 2013, el equipo de Wang demostró que grupos de 36 átomos de boro formaban un disco plano de un átomo de espesor. Al unir esos discos, sería posible producir borofeno (un boro equivalente al grafeno), que otros dos laboratorios sintetizaron dos años después del descubrimiento de Wang. En 2014, el equipo de Wang demostró que un grupo de boro de 40 átomos formaba una jaula hueca similar a una buckybola, pero que carecía de la simetría esférica perfecta.
Para esta última investigación, los estudiantes graduados de Brown, Hyun Wook Choi y Deniz Kahraman, comenzaron disparando un objetivo de boro con un láser de alta potencia. El impacto desprende una columna de átomos de boro, que luego se enfrían rápidamente para formar nanoclusters con diversos números de átomos. Luego, los grupos se pesan para determinar cuántos átomos hay en cada uno en un espectrómetro de masas.
Para investigar las formas de los cúmulos, los investigadores utilizan espectroscopía de fotoelectrones. Golpean cada grupo con un segundo láser, que saca un electrón de la estructura y lo envía volando por un tubo largo que Wang llama su «pista de carreras de electrones». La velocidad a la que el electrón vuela por la pista se utiliza para determinar el espectro de energía de unión de electrones del cúmulo, una lectura de con qué fuerza el cúmulo retiene sus electrones. Ese espectro codifica información sobre la estructura del grupo.
Los espectros de fotoelectrones de estructuras altamente simétricas tienen picos distintos en su distribución de energía de unión de electrones. Mientras Wang y su equipo investigaban cúmulos de boro más grandes que la jaula de 40 átomos, las lecturas espectrales comenzaron a volverse relativamente monótonas, lo que sugiere que las estructuras no eran particularmente interesantes. Wang dijo que empezó a dudar de que el cúmulo de 80 átomos, que anteriormente se había teorizado como una bola simétrica, fuera realmente interesante.
«Mi actitud en ese momento era que esto probablemente iba a ser una cuestión de baja simetría», dijo Wang. “Pensé, obtendremos este feo espectro, lo publicaremos y entonces será el final de la historia de este B.80 grupo.»
Pero el espectro de fotoelectrones del cúmulo contaba una historia diferente. Los picos del espectro sobresalían como pulgares doloridos, lo que sugiere una estructura muy estable y muy simétrica. Trabajando con colegas de otros laboratorios de todo el mundo, Wang y su equipo determinaron que la única estructura que podía producir ese espectro sorprendentemente simple era la buckybola.
Los hallazgos no están exentos de controversia. La teoría funcional de la densidad (DFT), el método estándar para determinar las propiedades moleculares, sugiere que la buckybola de boro no debería ser estable. Sin embargo, después de una búsqueda exhaustiva de posibles configuraciones de boro de 80 átomos, todas las señales apuntaban a la buckybola.
«Creo que los cálculos del DFT están equivocados en este caso», afirmó. “Creo que DFT tiene algunas longitudes de bonos incorrectas para el B80 buckyball, y eso conduce a predicciones incorrectas sobre su estabilidad”.
Wang dice que espera trabajar con colegas de Brown y de otros lugares para comprender mejor por qué DFT podría haber salido mal en este caso. Mientras tanto, Wang también espera trabajar con colegas de otros laboratorios para investigar la reactividad química de la B.80 buckyball que será importante para evaluar si las buckyballs de boro se pueden sintetizar en forma masiva. El laboratorio de Wang crea cúmulos en el vacío y aún no está claro si las buckybolas de boro serían demasiado reactivas para permanecer intactas en condiciones ambientales.
Al igual que con el borofeno bidimensional, Wang tiene la esperanza de que pronto se pueda superar el desafío de intentar producir buckybolas de boro a granel.
«Solo tomó dos años para el borofeno», dijo Wang, «así que ya veremos».
Fuente: universidad marrón
