FULLERENOS

Nombre: Fullerenos (nombrados en honor a Buckminster Fuller, por la similitud de su estructura con sus cúpulas geodésicas)

Símbolo: C (formas específicas como C₆₀, C₇₀, etc.)

Grupo: 14

Período: 2

Bloque: p

Categoría: No metal (alótropo molecular del carbono)

Número atómico: 6

Masa atómica: 12,011 u (por átomo de carbono; por ejemplo, C₆₀ = 720,66 u)

Electrones por capa: 2, 4 (por átomo de carbono)

Electronegatividad: 2,55

Densidad: ~1,65 g/cm³ (para C₆₀ sólido)

Punto de fusión: No definido (C₆₀ sublima ~600–700 °C en atmósfera inerte)

Punto de ebullición: No aplicable (sublima a altas temperaturas)

Conductividad térmica: ~0,4 W/(m·K) (baja, comparable a polímeros)

Conductividad eléctrica: ~10⁻¹⁴ S/m (aislante, pero puede ser semiconductor al doparse)

Orden magnético: Diamagnético

Estado ordinario: Sólido (molecular o cristalino en fulerita)

Estados de oxidación: 0 (principalmente), +2, +4 (en compuestos derivados)

Dureza Mohs: No aplicable (material molecular, suave en estado puro)

Dureza Vickers: No estándar (baja resistencia mecánica en fulerita)

Dureza Brinell: No estándar (material molecular)

Isótopos más estables: C-12 (98,93%), C-13 (1,07%)

Descubridor: Harold Kroto, Robert Curl y Richard Smalley (descubierto en 1985, Rice University, EE.UU.; Premio Nobel de Química 1996)

Los fullerenos, un alótropo molecular del carbono (C) caracterizado por estructuras cerradas como esferas, elipsoides o tubos (por ejemplo, C₆₀ o “buckybola”), representan un hito en la ciencia de materiales debido a sus propiedades únicas, como baja conductividad térmica (0,4 W/(m·K)), aislamiento eléctrico (10⁻¹⁴ S/m) en estado puro, y potencial para superconductividad al doparse. Descubiertos en 1985, los fullerenos marcaron el inicio de la era de la nanotecnología, abriendo puertas a aplicaciones en electrónica, medicina y materiales compuestos. Su historia combina avances teóricos, experimentales y un contexto interdisciplinario que culminó en el Premio Nobel de Química de 1996, transformando nuestra comprensión del carbono y sus alótropos.

Aunque el carbono es conocido desde la antigüedad en formas como el grafito y el diamante, la existencia de fullerenos no se sospechó hasta finales del siglo XX. En la década de 1970, los químicos teóricos especularon sobre estructuras moleculares de carbono basadas en redes de anillos pentagonales y hexagonales, inspirados por las cúpulas geodésicas del arquitecto Buckminster Fuller, de quien derivan su nombre. Sin embargo, el descubrimiento experimental ocurrió en 1985, cuando Harold Kroto (Universidad de Sussex, Reino Unido), Robert Curl y Richard Smalley (Rice University, EE.UU.) investigaban la formación de moléculas de carbono en condiciones simuladas de atmósferas estelares. Utilizando espectroscopia de masas láser en un experimento de vaporización de grafito, identificaron una molécula estable de 60 átomos de carbono (C₆₀), con una estructura icosaédrica de 20 hexágonos y 12 pentágonos, publicada en Nature (1985). Esta molécula, apodada “buckminsterfullereno”, fue el primer fullereno confirmado.

Inicialmente, la comunidad científica recibió el descubrimiento con escepticismo, ya que las estructuras moleculares cerradas de carbono eran inusuales. En 1990, Wolfgang Krätschmer y Donald Huffman lograron producir cantidades macroscópicas de C₆₀ mediante arco eléctrico en atmósferas inertes (como helio, He), permitiendo estudios detallados que confirmaron su estructura y propiedades. Este avance desencadenó un auge en la investigación de fullerenos, incluyendo variantes como C₇₀ y estructuras tubulares (precursoras de los nanotubos de carbono, descubiertos en 1991 por Sumio Iijima). La capacidad de los fullerenos para formar cristales (fulerita) y exhibir superconductividad al doparse con metales alcalinos, como el potasio (K₃C₆₀), a temperaturas de ~20 K, consolidó su relevancia científica. Kroto, Curl y Smalley recibieron el Nobel de Química en 1996 por su descubrimiento, que también inspiró el estudio de otros nanomateriales.

Aunque los fullerenos se encuentran en la naturaleza en pequeñas cantidades (por ejemplo, en hollín o depósitos de carbón), su producción sintética (~100 toneladas anuales estimadas en 2025) es la principal fuente, con un mercado de ~500 millones de USD proyectado para 2027. En aplicaciones, los fullerenos se utilizan en electrónica (celdas solares orgánicas, semiconductores), medicina (antioxidantes, sistemas de liberación de fármacos), y materiales compuestos (refuerzos para polímeros). Su biocompatibilidad y capacidad para encapsular átomos (endohedral fullerenos) abren posibilidades en imágenes médicas y terapias contra el cáncer. La historia de los fullerenos, desde su descubrimiento accidental hasta su impacto en la nanotecnología, refleja la capacidad del carbono para sorprender y redefinir los límites de la ciencia, consolidándolos como un alótropo clave en la tecnología moderna.

Son la tercera y menos abundante (con mucho margen) forma alotrópica que podemos encontrar del Carbono elemental de forma natural. Como dato anecdótico, cabe señalar que los primeros Fullerenos fueron sintetizados en laboratorios alrededor de los años setenta del pasado siglo, siendo descubiertos en pequeñas dosis en el mineral conocido como Shungita, que procede de Rusia y al cual se le atribuyen propiedades únicas tales como aplicaciones para sanación, protección antiradiactiva, limpieza de chi… vale, la mayoría de sus “virtudes” son propiedades más pseudo-científicas que demostrables, pero es cierto que contienen fullerenos. Lo que pasa es que ésto se usa en contra del propio conocimiento científico expandiendo o mejor dicho, exagerando las propiedades de un mineral, de tal manera que si en verdad tuviera propiedades anti-bacterianas, tal como es el caso (se conoce desde tiempos de Pedro I “el Grande” de Rusia), dichas características han dado pie a que pasemos de hablar de propiedades anti-microbianas a la posibilidad de curar enfermedades más serias de todo tipo sin ninguna base real demostrable hasta la fecha. En cualquier caso, y dado que estamos hablando de los Fullerenos, primero describamos qué son exactamente. 

Hasta ahora hemos visto que tanto el Grafito como el Diamante son Carbono elemental, o lo que es lo mismo, Carbono puro. Ambas formas reciben el nombre de álotropos, y se diferencian entre sí en muchas características. No obstante, lo que hace al Grafito Grafito y al Diamante Diamante son sus estructuras cristalinas. 

Como hemos visto antes, la estructura cristalina se refiere a la forma en la que están dispuestos los átomos de forma masiva en un álotropo. 

En el Grafito, por ejemplo, los átomos de Carbono se encuentran unidos de forma hexagonal en capas de Grafeno amontonadas entre sí que le confieren sus características. En el Diamante, la esructura cristalina es idéntica a la del Silicio y el Germanio elemental, la llamada Cúbica Diamantina centrada en el cuerpo. Ésta configuración de los átomos sólo está presente en cuatro de los elementos del grupo 14 de la Tabla Periódica, en orden atómico de menor a mayor: Carbono (Diamante), Silicio, Germanio y la forma β (beta) del Estaño, que se forma cuando el metal puro baja de de los 13.2ºC

Así como las capas de Grafeno intercaladas en el Grafito le confieren sus propiedades, buenas y malas, lo mismo ocurre en el caso del Diamante, que asume la estructura que vemos de forma natural en los elementos previamente mencionados. 

Con los fullerenos ocurre exactamente lo mismo, porque su estructura cristalina es diferente tanto a la del Grafito como a la del Diamante. 

Aunque existen varias modificaciones, en un fullereno típico, los átomos de Carbono se hallan enlazados de forma hexagonal, formando lo que muchas veces se llama un “panal de abeja” y está compuesto por 6 átomos de Carbono a su vez unidos a otros 6 en largas cadenas que vistas desde el microscopio se asemejan a las celdas que forman las abejas en sus panales, y que se ha demostrado que es una de las formas óptimas que mejor aprovecha el volumen en el sentido de que es capaz de formar estructuras fuertes en menos espacio que otras formas simétricas. Dicho de otra forma, el “dibujo” (si lo viésemos desde el punto de vista simétrico) es hexagonal. Ahora bien, también el Grafeno es hexagonal y sin embargo sus propiedades son harto distintas. ¿Qué cambia?

En los Fullerenos, las largas cadenas de átomos de Carbono unidos entre sí formando hexágonos adquieren formas tubulares o directamente forman cuerpos esferoideos, tal es el caso de la “buckybola” que se asemeja a un balón de fútbol a tamaño atómico compuesto por átomos de Carbono enlazados de tal forma que conforman una esfera perfecta donde cada partícula se encuentra exactamente tan lejos de su vecina como la anterior y siguiente: hablamos de una estructura simétricamente perfecta. 

Los Fullerenos, como ya hemos dicho, se presentan en muchas formas, pero los más famosos son, con diferencia, los nano-tubos y la buckybola anteriormente mencionada. 

Los nano-tubos son Fullerenos que tienen, como su nombre sugiere, forma cilíndrica, como de “tubo”. Son los más populares e utilizados entre los Fullerenos, a tal punto que mucha gente no sabe que realmente lo son; es decir, se suele pensar erróneamente que los Fullerenos y los Nano-tubos son dos cosas distintas. El motivo radica en que los Nano-tubos son tan populares en comparación al resto de su familia que parece que forman una categoría en sí mismos, cosa no es el caso. 

Los Nano-tubos son sintetizables, y a diferencia del Grafito y el Diamante, tienen propiedades “metálicas”. Sus mayores virtudes son su elevadísima fuerza tensil (o mejor dicho, resistencia tensil) que la sitúan como uno de los materiales más fuertes, si no el que más, en éste aspecto en concreto. Además de una buena resistencia química, los Nano-tubos son también buenos conductores térmicos y eléctricos. Las propiedades de alta tenacidad y dureza del álotropo han propuesto teorías respecto a la fabricación del antiguo y semi-legendario “Acero de Damasco” del cual se decía era capaz de cortar una hoja en el aire y también romper una roca (normalmente, sólo se puede tener un gran filo o mucha tenacidad en el Acero, nunca las dos cosas a la vez a semejantes niveles) de ahí que se haya teorizado que posiblemente, Nano-tubos de Carbono naturalmente presentes en el coque con el que se producían dichas armas les hayan conferido éstas propiedades de las cuales se sigue hablando hasta el día de hoy. Ésta teoría no está confirmada, pero según ella, dado que el Grafito (una forma común y corriente) produce tan buenos resultados en el Acero, la presencia de una forma “mejorada” del Carbono sería, por éste principio, responsable de producir aleaciones de Acero muy superiores, cosa no comparto debido a varios motivos, como por ejemplo el hecho de que a día de hoy es posible llevar a cabo el proceso y sin embargo, no parece rentable, o bien el Acero de Damasco sería de muy buena calidad en su día, pero como todas las cosas de su época, habría sido “vendido” de la manera más exagerada, dándole tintes casi místicos o sobrenaturales para dar sensación de calidad superior. Lo sé porque yo mismo he escrito sobre ésto en el pasado. En cualquier caso, se trata del Fullereno que más se acerca a nuestra disciplina.

Las Buckybolas y otros Fullerenos tienen aplicaciones en la industria médica, pero su importancia en metalurgia es virtualmente nula, por tanto no me extenderé en éste apartado.

Los fullerenos, alótropos moleculares del carbono (C) como el C₆₀ (buckminsterfullereno), son estructuras cerradas con forma de esferas, elipsoides o tubos, caracterizadas por una hibridación sp² y propiedades únicas como baja conductividad térmica (0,4 W/(m·K)), aislamiento eléctrico (10⁻¹⁴ S/m) en estado puro, y potencial para superconductividad al doparse. Con una densidad de ~1,65 g/cm³ (para C₆₀ sólido) y una producción global estimada en ~100 toneladas anuales (2025), los fullerenos son materiales de alto valor en la nanotecnología, con un mercado proyectado de ~500 millones de USD para 2027. Su versatilidad, biocompatibilidad y capacidad para encapsular átomos los hacen ideales para aplicaciones en electrónica, medicina, materiales compuestos y energía, transformando industrias a pesar de los desafíos en su síntesis a gran escala mediante métodos como arco eléctrico o combustión controlada.

En la electrónica, los fullerenos, particularmente el C₆₀ y C₇₀, se utilizan en celdas solares orgánicas (OPV) como aceptores de electrones, mejorando la eficiencia de conversión de energía (~10–15% en celdas optimizadas) debido a su alta movilidad electrónica al doparse. También se emplean en transistores de efecto de campo (FET) y sensores, aprovechando su capacidad para formar derivados funcionales, como el PCBM ([6,6]-fenil-C₆₁-butirato de metilo), que optimiza el transporte de carga. En medicina, la biocompatibilidad de los fullerenos permite su uso como antioxidantes, capturando radicales libres para proteger células en tratamientos contra enfermedades neurodegenerativas o cáncer. Los fullerenos endohedrales, que encapsulan átomos como nitrógeno (N@C₆₀), se exploran en imágenes médicas (MRI) y terapias dirigidas, mientras que los derivados hidrosolubles se utilizan en sistemas de liberación controlada de fármacos.

En materiales compuestos, los fullerenos refuerzan polímeros y resinas, mejorando la resistencia mecánica y térmica sin añadir peso significativo, lo que es valioso en la industria aeroespacial y automotriz. Por ejemplo, la incorporación de C₆₀ en polímeros aumenta la rigidez en 10–20%, ideal para recubrimientos protectores. En energía, los fullerenos dopados con metales alcalinos, como el potasio (K₃C₆₀), exhiben superconductividad a temperaturas de ~20 K, con aplicaciones potenciales en dispositivos de almacenamiento de energía. Además, se utilizan en catalizadores para reacciones químicas, como la hidrogenación, y en lubricantes nanoestructurados debido a su estructura esférica que reduce la fricción. Aunque los costos de producción (100–1.000 USD/g para C₆₀ puro) limitan su adopción masiva, los fullerenos siguen siendo fundamentales en la nanotecnología, consolidando su rol como un material innovador con un impacto creciente en la ciencia y la industria.