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Rev.R.Acad.Cienc.Exact.Fís.Nat. (Esp)Vol. 99, Nº. 1, pp 69-86, 2005V Programa de Promoción de la Cultura Científica y Tecnológica

LAS MIL CARAS DEL CARBONO

MIGUEL ÁNGEL ALARIO Y FRANCO *

* Real Academia de Ciencias Exactas, Físicas y Naturales. C/ Valverde, 22. 28004 Madrid

I. INTRODUCCIÓN

Aunque sería difícil singularizar uno de los ele-mentos químicos de los ciento nueve que, por ahora, seordenan en la tabla periódica, es más que probable quesi dicho ejercicio se realizara a modo de encuesta entrelos químicos fuera el carbono el seleccionado. Y ellono solo porque, probablemente, la mayoría de losquímicos son “orgánicos”, sino más bien porque el ele-mento número seis en orden periódico, que en abun-dancia en la corteza terrestre ocupa un modestovigésimo-séptimo puesto es, sin duda, el que másespecies químicas forma y eso unido a las interesantespropiedades de esos compuestos, que incluyen desdelos fármacos al petróleo o desde los aminoácidos a lamadera por no citar sino unos cuantos ejemplos, loshace esenciales para la vida en la tierra y para la propiaexistencia y desarrollo de la humanidad en ella.

No es, sin embargo, de sus compuestos que nosvamos a ocupar en esta ocasión, sino del propio ele-mento que en sus diferentes modificaciones o, en unlenguaje más técnico, formas alotrópicas, es así mismonotable y en cierto modo inigualable.

Efectivamente, la alotropía es una característica re-lativamente frecuente en la naturaleza y la inmensamayoría de los elementos presentan diferentes modifi-caciones. Ello se debe a la capacidad de los átomos delos diferentes elementos a combinarse consigo mismosy en este sentido es, quizá, el azufre el elemento pre-dominante, pues se han detectado y analizado cientos

de moléculas diferentes formadas únicamente conátomos de azufre1. A pesar de ello, todas esas formasdel azufre son muy parecidas al estar formadas por unnúmero mayor o menor de átomos de azufre perosiempre unidos de la misma manera por lo que tambiénson muy parecidas sus propiedades. En el caso delcarbono, por el contrario, sus polimorfos más impor-tantes son extremadamente diferentes en su estructuray por ende en sus propiedades. Y ello a pesar de quetambién aquí, y por tratarse de especies químicas for-madas por átomos idénticos y moderadamente elec-tronegativos, el tipo de enlace —covalente— es elmismo que en el caso del azufre. Así, las cuatro formasalotrópicas principales del carbono, Figura 1, que sondenominadas: Diamante, grafito, fullerenos y nano-

1 R. Stendel y B. Eckert. Solid Sulfur allotropes. Top. Curr. Chem 230, 1-79 (2003).

Figura 1. Estructuras cristalinas de las formas alotrópicas delcarbono.

Rev.R.Acad.Cienc.Exact.Fís.Nat. (Esp), 2005; 99Miguel Ángel Alario y Franco70

tubos son tan distintas que cada una de ellas da lugar,en realidad, a una química diferente. Nótese que a dosde esos polimorfos los nombramos en singular peroque para los otros utilizamos el plural; y es que, comomás adelante se verá, aunque solo existen un tipo dediamante y otro de grafito —afirmación que requierede alguna matización— existen multitud de fullerenosy de nanotubos distintos y aunque sus propiedadesbásicas son similares, pueden dar lugar a compuestosquímicos muy diferentes y, consecuentemente condiferentes propiedades. Y además, esas propiedades sepueden en mucha ocasiones prever y consecuente-mente controlar. Cabe señalar, llegados a este punto,que todos esas especies químicas del carbono sonsólidas a la temperatura ambiente y que dan lugar agran número de materiales —sólidos útiles— conpropiedades muy variadas y, en muchos casos, conelevado valor añadido debido a sus interesantes apli-caciones.

II. DIAGRAMA DE FASES DELCARBONO

Hasta hace relativamente poco tiempo, ca 1985, eldiagrama de fases del carbono, que recoge las fasesconocidas del elemento en función de presión y tem-peratura, era bastante simple, Figura 2. En él puedenobservarse los márgenes de existencia del grafito, lafase termodinámicamente estable del carbono en lascondiciones ordinarias y su coexistencia con la fasediamante. Éste es, por su parte, termodinámicamente

inestable en esas circunstancias, pero se encuentraestabilizado cinéticamente en esas mismas condi-ciones, en las que no se transforma en grafito por ladificultad que supone un cambio estructural tan grandey ello requiere el concurso de, por lo menos, altas tem-peraturas. También recoge el diagrama de fases eldominio de estabilidad termodinámica del diamante,en el que el grafito es metaestable, y en él se señala laregión en la que se puede obtener aquel a partir de estepor un proceso que describiremos posteriormente. Amuy altas presiones la única fase estable es lafamosísima piedra preciosa y a muy altas temperaturasy presiones moderadas únicamente existe, en un mar-gen relativamente estrecho, la forma grafito. El car-bono liquido solo se puede conseguir a temperaturasmuy altas y así, a la presión ordinaria, el punto defusión del carbono es de 3527 ºC. Cabe señalar que alaumentar la presión aumenta el punto de fusión delcarbono, lo que es un hecho frecuente, pero que a par-tir de una presión del orden de 70 kbar aquel disminu-ye, hecho singular que, por cierto, también ocurre en elcaso del agua a presiones mucho más bajas.

III. ESTRUCTURAS Y PROPIEDADES DELAS FORMAS CRISTALINAS DEL

CARBONO

III.1. Estructura del diamante

Cuando Sir Lawrence Bragg tuvo la importanteocurrencia de aplicar la difracción de los rayos X paradeterminar la manera en que los átomos están dis-puestos en los cristales, el primer elemento sólido alque aplicó esa técnica fue precisamente el diamante(previamente había determinado las estructuras de lasal común, NaCl y de la blenda, ZnS). Y es que la for-ma diamante del carbono ha fascinado al hombre des-de que se conoció su existencia. No se sabe a cienciacierta cuado apareció el primer diamante, pero en lascortes asiáticas que visitaron los viajeros europeos del1400 ya eran conocidos, apreciados y ostentados comosigno de poder. Y aún antes los griegos, como describeAristóteles, y los persas, como cuenta Al-Kawiny, losobtenían en la India de un supuesto “valle de los dia-mantes” en los que eran protegidos por fabulosas ser-pientes a los que solo unas no menos fabulosas águilaspodían arrebatárselos y de cuyos picos caían y así sediseminaban por los alrededores. La primera mujerFigura 2. Diagrama de fases del carbono circa 1985.

que se atavió con un diamante fue Agnes Sorel, laamante de Carlos VII de Francia Figura 3. Hastaentonces, los diamantes eran objeto de culto exclusivomasculino y símbolo de poder debido a suspropiedades, en particular su dureza, su transparenciay el brillo de sus destellos, resultado, como todas suspropiedades, de su estructura cristalina. En esta, cadaátomo de carbono está unido por medio de enlacesmuy fuertes a otros cuatro átomos de carbono, equidis-tantes a 1.5445 Angstroms —la distancia típica de unenlace covalente simple en el carbono—, que se sitúanen los vértices de un tetraedro del que aquel está en elcentro, Figura 1a. El resultado de esa geometría es unaestructura de simetría cúbica y, por ello, la descripciónmás frecuente del diamante lo explica como un cubocon los vértices y los centros de las caras ocupados porcarbonos, y con otros cuatro átomos en el interior delmismo situados en la mitad de los denominados hue-cos tetraédricos. Precisamente es en ese enlace tetraé-drico donde se alcanza la optimización en la formacióndel enlace covalente por compartición de un electrónde cada átomo y de ahí derivan su dureza, es un sólidomuy duro —¡el más duro!— en la dirección de losenlaces, y su fragilidad, es mucho menos duro en una

dirección perpendicular a ellos, lo que, por cierto, per-mite su talla, Figura 4. Pero también deriva de ello, porejemplo, su elevada conductividad térmica, ya que setrata del mejor conductor del calor, hasta cinco vecesmejor que el cobre siendo a la vez un excelente ais-lante eléctrico. Existe una segunda forma —bastanteinfrecuente— del diamante, en el que la secuencia decapas de átomos de carbono es diferente y que recibeel nombre mineral de Lonsdaelita.

III.2. Estructura y propiedades del grafito

En el caso de esta forma del carbono, Figura 1b,cada átomo está rodeado de, y unido a, otros tresequidistantes, en lugar de cuatro, lo que da lugar a unaestructura laminar, hojosa. Como cada átomo de car-bono puede aportar al enlace cuatro electrones y en elgrafito solo se une a otros tres semejantes, el electrónrestante de cada átomo de carbono es esencialmentecolectivo, y está repartido entre todos los átomos de lalámina, lo que, de una parte, refuerza el enlace cova-lente, que es aquí más fuerte que un enlace simple car-bono-carbono como el que se observa en el propio dia-mante y, de otra, le confiere propiedades conductorascuasi-metálicas con una resistividad relativamentebaja en la lámina, del orden de 10-4 Siemens/cm. Poreste motivo el grafito es negro, de aspecto lustroso,metálico, al reflejar dicho electrón la radiación electro-magnética en el visible. Las láminas están unidas entresí por un enlace mucho más débil, el enlace de van derWaals, como lo muestran las distancias interatómicascarbono-carbono:

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Figura 3. Agnes Sorel pintada como Madona por JeanFouquet.

Figura 4. Ejemplo espléndido de diamante tallado: The Hope(46 quilates).

intralaminar: 1.415 A ( c.f. 1.5445 A en el diamante)

interlaminar: 3.354 A.

por ello, el grafito es exfoliable y se utiliza frecuente-mente como lubrificante. Así pues, y algo paradójica-mente, el enlace carbono-carbono en el grafito es másfuerte que en el diamante, a pesar de lo cual este esmás duro al tratarse de una estructura tridimensional,mientras que la del grafito es esencialmente bidimen-sional. En esta misma línea, cabe señalar que existenenlaces carbono-carbono aún más fuertes que losobservados en el grafito; se trata de los enlaces car-bono-carbono dobles y triples que se presentan en loscompuestos moleculares denominados etilénicos yacetilénicos respectivamente. Por otra parte, seentiende que, cuanto más fuere es u enlace, más cortaes la distancia entre los átomos que le forman.

De sus propiedades físico-químicas, algunas de lascuales se recogen en la Tabla I, vemos que grafito ydiamante son extremadamente diferentes en su com-portamiento y también lo son, desde luego, en su reac-tividad. De ello es buen ejemplo el que el diamante esextremadamente poco reactivo y solo a alta temperatu-ra en presencia de oxígeno llega a arder, para dar, obvi-amente CO2. Cabe mencionar a este respecto que estafue la prueba, efectuada por Lavoisier con un diamante

suministrado por el conocido joyero Maillard parademostrar que se trataba únicamente de carbono puro.

El grafito, sin embargo, reacciona con el ácidonítrico caliente, y a temperaturas moderadas con elflúor, para dar compuestos interesantes como son el“óxido grafítico” y el “monofluoruro de grafito”. Taldiferencia de comportamiento entre dos especiesquímicas formadas por los mismos átomos y presen-tando estructuras y propiedades tan distintas fue una delas bases que dieron lugar a un paradigma reflejado demanera manifiesta en un interesante libro que llevabaprecisamente por título “Structure Property rela-tions”2. En él se recogen multitud de ejemplos depropiedades de materiales y se hace énfasis en suestructura y en la influencia que en las propiedadespueda tener. Aunque es cierto que en muchos casosexiste esa relación, como acabamos de ver en el propiocarbono, el mencionado paradigma requiere de impor-tantes matizaciones. La primera de ellas, quizá la másevidente, es que existen multitud de compuestos queposeen la misma estructura y propiedades muy distin-tas; baste señalar a este respeto, que la magnetita opiedra imán, FeFe2O4 es de color negro metálico yposee propiedades ferrimagnéticas que la hicieron pro-tagonista de la brújula, así como una apreciable con-ductividad eléctrica a temperatura ambiente, mientrasque el mineral espinela, MgAl2O4, con la mismaestructura, es incoloro, aislante y no presenta magne-tismo colectivo. Obviamente, qué tipo de átomos inter-vienen en la estructura, lo que se denomina la com-posición química del compuesto, es fundamental a lahora de establecer las propiedades. Existen cierta-mente otros aspectos interesantes en cuanto la validezdel paradigma, como la microestructura, pero no eseste el lugar de describirlos.

La estructura laminar del grafito permite, por otraparte, la existencia de una interesante QuímicaInterlaminar, que se realiza introduciendo átomos omoléculas de muy diferentes especies químicas entrelas láminas de carbono. Aunque no es esta Químicaprivativa del grafito, y de ella se conocen multitud deotros ejemplos como los conocidos “Bronces deWolframio” o las no menos importantes arcillas, yalgunos sulfuros metálicos, como el TaS2, la sencillezde la estructura del grafito y la facilidad con que tiene


2 R. Newnham: Structure Property relations. Springer Verlag, 1973.

lugar el proceso hace de éste uno de los aspectos mássignificativos de la Química de este polimorfo del car-bono. En el caso más sencillo, la intercalación o inser-ción de los metales alcalinos se expresa:

[1]

en la que el metal alcalino se ioniza:

[2]

con lo que el potasio, y los metales en general, se com-portan como donadores de electrones. Así, de unaparte, el electrón se sitúa en la banda de conducción,incrementando la conductividad eléctrica ya notabledel propio grafito y, de otra, los iones potasio se orde-nan, y ello tanto a lo largo del eje de apilamiento de laestructura, como dentro del espacio interlaminarFigura 5. La cantidad de metal que se puede introducires variable, aunque no de manera continua, y son com-posiciones típicas en el mencionado caso del potasio:KC8, KC24, KC36, y KC48 Se produce así el interesantefenómeno de staging, o intercalación por etapas, en elque el número de capas grafíticas sin intercalar situa-das entre dos de ellas intercaladas, varía con el con-tenido en metal.

Cabe señalar, de otra parte, que algunos de estosmateriales intercalados pueden llegar a ser supercon-ductores aunque, desde luego, a temperaturas real-mente bajas: Otras especies que han sido intercaladascon éxito en la estructura del grafito son: FeCl3,H2SO4, CrO2Cl2, CrO3, MoO3, Br2, de cuya variedadse deduce la gran generalidad de esta química de inter-calación. Frente a todas estas especies químicas es elgrafito el donador de electrones, como lo muestran las

medidas de efecto Hall que indican la presencia deportadores de corriente positivos.

III.3. Fulerenos

Contrariamente a los polimorfos grafito y dia-mante, literalmente “viejos como el mundo”, la histo-ria de los fullerenos, Figura 1c y más aun la de los na-notubos es mucho más reciente. Se trata de polimorfosartificiales, aunque ciertamente los primeros, (y ¿quizálos segundos?) se han detectado en luz procedente delespacio exterior. De hecho, la historia efectiva de lamolécula C60 comienza precisamente en los experi-mentos de espectroscopia de la luz procedente de cier-tas estrellas próximas ricas en carbono que Kroto reali-zaba en la Universidad de Susex en Inglaterra, tratandode detectar moléculas formadas por largas cadenas li-neales de átomos de carbono que reciben el nombre decianopoliinos, en un interesante ejercicio de la parte dela Química que llamamos Astroquímica y que consisteen tratar de encontrar en el espacio extra-terrestreespecies químicas que no se conocen en nuestro plane-ta. Por la misma época, principio de los años ochenta,Richard Smalley realizaba experimentos de vapori-zación y deposición de agregados de átomos —quereciben el nombre de “clusters”— por medio de cale-facción con laser de diferentes materiales. Uniendoesfuerzos, los equipos de Smalley y Curl, en laUniversidad Rice en el estado de Tejas, y el de Krotoen Inglaterra, decidieron intentar obtener dichos agre-

+K=K +1e

xxK+C=K C


Figura 5. Ordenamiento de los átomos de potasio en el com-puesto de intercalación C28K en grafito.

Figura 6. Espectros de masas de C60 y C70 obtenido por Krotoet al. (cortesía de los autores).

gados concentrando el laser sobre un disco de grafitoesperando preparar los citados poliinos. La espectro-scopia de masas de los productos resultantes3 con-firmaba la presencia de agregados entre los que,curiosamente, predominaban de manera manifiesta loscorrespondientes a 60 y 70 átomos de carbono, sobretodo los primeros, Figura 6, lo que sugería la presenciade las especies C60 y C70. Dichos científicos llegaron ala conclusión de que esas moléculas deberían ser cerra-das, próximas a esferas. Curiosamente, haciendobueno el proverbio de El Cantar de los Cantares de que“no hay nada nuevo bajo el sol”, existía un artículo,poco conocido, publicado por Osawa4 en el que seespeculaba con la posibilidad de existencia de unamolécula constituida por átomos de carbono formandoexágonos y pentágonos unidos por vértices comunes eincluso se predecían algunas de sus posiblespropiedades. Pero ese artículo no lo conocían Kroto,Smalley y Curl quienes, ante la forma esperada paralas moléculas que habían descubierto –una forma ce-rrada y hueca que recuerda a las cúpulas geodésicasdiseñadas por el arquitecto canadiense Buckminster-Fuller Figura 7, las denominaron Buckminster-fullerenos, nombre que pronto se abrevió a fullerenos,especialmente al comprobarse que no se trataba sim-plemente de un par de especies del carbono, C60 y C70,sino de, en realidad, una nueva Química Molecular.

Por ese procedimiento de síntesis, sin embargo, nose conseguía mucho rendimiento y fue posteriormente,en 1989 cuando Huffman y Krastchmer5 trabajando enHeidelberg, interesados en conocer la naturaleza de uncierto tipo de polvo interestelar que, suponían, estabaformado por partículas de carbón, estudiaban la evapo-ración del grafito haciendo saltar un arco voltaico entredos electrodos de dicho material en una atmósfera dehelio. Huffman y Krastchmer pronto identificaron enel material así obtenido las célebres moléculas de losfullerenos que, a partir de ese momento se puedenobtener en cantidades suficientes como para hacer todotipo de análisis. El procedimiento requiere la disolu-ción en benceno del polvo producido y posterior eva-poración del disolvente, lo que da lugar a un 75% deC60, un 23% de C70 y porcentajes menores de otrosfullerenos. De esa manera se pudieron determinar lasestructuras molecular y cristalina del fullereno porantonomasia, el C60 que, efectivamente era unamolécula, cerrada, esférica, formada por la combi-nación de 20 hexágonos y 12 pentágonos de átomos decarbono, cada uno de los cuales está unido a otros trescomo vértices compartidos de dichos polígonos,


3 H. W. Kroto, Angew. Chem. Int. Ed. Engl. 31 111-129 (1992).4 E. Osawa, Chem. Abstr. 74 756980 (1971).5 W. Krästchmer, L. D. Lamb, K. Fostiropoulos y D. R. Huffman, Nature 347 354 (1990).

Figura 7. Cúpula del pabellón de los Estados Unidos en laExposición Universal de Montreal, del arquitecto Buckminster-fuller. Foto, cortesía F.-J. Alario.

Figura 8. Imagen obtenida por microscopía de efecto túnel deC60 y C70 en la que se observa el empaquetamiento compactode ambos tipos de moléculas: cada una está rodeada de seisen su mismo plano.

Figura 1c, que es precisamente la forma, esférica, deun balón de fútbol. La del C70 sin embargo posee 25hexágonos y recuerda más ...¡a un balón de rugby!Kroto y sus colaboradores confirmaron la estructuradel C60, por otros experimentos, en particular pormedio de la espectroscopia de resonancia magnéticanuclear y obtuvieron el Premio Nobel de Quimica en1996.

La estructura molecular de ambas especies sepuede visualizar de diferentes maneras: en la Figura 8se muestra una imagen obtenida por microscopía deefecto túnel, en la que se observan claramente los dostipos de moléculas indicados que, por otra parte, estánempaquetadas de la manera más compacta posible:cada una rodeada de otras seis.

Continuando con la idea salomónica de El Cantarde los Cantares a que hacíamos referencia anterior-mente, cabe señalar que Piero de la Francesca,matemático y pintor del cinquecento, había descrito elpoliedro correspondiente a la molécula C60, comoresultado de truncar un icosaedro y, el pintor FrayGiovanni de Verona dejo representado tanto el icosae-dro de Arquímedes como el icosaedro truncado en uncélebre cuadro, Figura 9, que representa el armario deun alquimista y que se conserva en la iglesia de SantaMaría in Organo de la ciudad de Julieta. En él, ambospoliedros se recogen en perspectiva según un modeloideado por Leonardo da Vinci que refleja perfecta-mente la idea de profundidad. Por su parte, el famosomatemático suizo Leonard Euler se ocupó amplia-mente de este tipo de poliedros en el siglo XVIII, loque le llevó a enunciar su célebre teorema que expresaque el número característico de un poliedro, que corre-sponde al número de vértices y caras menos el de aris-tas es iguala dos. De esos estudios se deduce, de unaparte que la molécula de C60 es la más simétrica detodas las moléculas conocidas, y presenta nada menosque 120 elementos de simetría y, así mismo, que elmínimo poliedro de este tipo es el dodecaedro penta-gonal formado por doce pentágonos con un total deveinte vértices, otro de los poliedros regulares deArquímedes. Recientemente, se ha sintetizado elfullereno C20 que presenta, precisamente esa estructuramolecular y que, por razón de la misma, en particularde la tensión que supone esa geometría para losenlaces carbono-carbono, es bastante inestable, por loque su síntesis ha sido un auténtico hito6.

Cuando decíamos que los fullerenos han dado lugara un nuevo tipo de Química, lo hacíamos en sentido li-teral. Efectivamente, tras su descubrimiento, losquímicos se han dedicado a tratar —¡con éxito¡— defabricar fullerenos cada vez mayores —si bien hay,como demostró Euler, límite inferior a su tamaño: se


6 H. Prizbach et al, Nature 407, 60 (2000).

Figura 9. Representación del armario de un alquimista, pinta-do por Fra Giovanni da Verona, que se conserva en la iglesía deSanta Mª del Órgano en esa ciudad. Se representa un icosae-dro y el icosaedro truncado que corresponde a la molécula deC60.

trata del poliedro correspondiente a la molécula de C20,el dodecedro pentagonal, no hay, en principio limitesuperior— y así, en la Figura 10 aparece, a modo deejemplo, el modelo de la molécula C540 - y a estudiarsus propiedades de todo tipo.

Pero la imaginación de los químicos y otros cientí-ficos ha producido, también, compuestos en los que seocupa el interior de las moléculas de los fullerenos, porejemplo con especies monoatómicas, como en el casode La@C60, o el más complicado ScN3@C60, donde elsímbolo @ indica que se trata precisamente deespecies situadas en el interior. Esto es lo que consti-tuye la llamada Química Endoédrica. Por otra parte,se han aplicado a los fullerenos los procedimientos dela química molecular y además de sustituciones en lapropia molécula de los átomos de carbono por otrosdiferentes —como, por ejemplo, en la especie C50Cl10,obtenido calentando tetracloruro de carbono a bajapresión en una atmósfera de helio— también se haconseguido desarrollar compuestos “hacia fuera”,como en el caso del eta2-C70-Fullereno-carbonilocloro-bis-trifenilfosfina-iridio que se muestra en laFigura 11, y que constituyó uno de los primeros ejem-plos de Química Exoédrica.

Ello no quiere decir, sin embargo que los propiosfullerenos no tengan interés en sí mismos. Por citar unejemplo: La inserción de metales alcalinos, entre otrasespecies, entre las moléculas de C60, da lugar a mate-

riales superconductores del tipo K3C60, con una tem-peratura crítica del orden de los 18 K, o su homólogoRb2CsC60, que tiene una Tc de 31 K, la más alta con-seguida en un material molecular de este tipo y muysuperior a las observadas en los superconductoresdenominados “clásicos”, anteriores al descubrimientode los cupratos de alta temperatura. Temperaturas aunmás altas se han conseguido con otros intercalados.

Tras el descubrimiento de los fullerenos, con soloátomos de carbono, se han obtenido especies análogascon multitud de otras composiciones, óxidos, sulfurosy un largo etcétera que ya comienzan a encontrar apli-caciones y las tendrán, sin duda, en el futuro. Quizáuna de las más llamativas y en las que ya hace tiempose viene trabajando dentro de un campo que podríadenominarse de medicina-ficción, consiste en intro-ducir en alguno de los fullerenos una molécula quecontuviera un principio activo para algún trastornolocal, por ejemplo un tumor, junto con un agregado deátomos magnéticos. Introducida dicha molécula en eltorrente circulatorio, se podría llevar, impulsada por uncampo magnético externo hasta el lugar donde se


Figura 10. Representación de la molécula de C540.

Figura 11. Representación molecular de un fullereno exoédri-co: (eta2-C70-Fullereno)-carbonil-cloro-bis(trifenilfosfina) deiridio.

requiriese su utilización y, una vez allí, abriéndola,aplicar localmente el remedio. Aunque estamos aúnlejos de conseguir semejante panacea, no pareceimposible su realización a medio plazo...

III.4.1. Nanotubos

La cuarta forma alotrópica del carbono, los nanotu-bos, Figura 1d, se descubrió en un destello de curiosi-dad científica —y notorio es que sin curiosidad no hayCiencia— cuando, en 1991, Sumio Ijima, uno de losmás destacados microscopistas de nuestro tiempodecidió estudiar por microscopía electrónica los elec-trodos utilizados en la síntesis de los fullerenos. En esaobservación, Ijima encontró que las láminas de grafito,que cuando se consideran individualmente reciben elnombre genérico de láminas de grafeno, pueden apare-cer arrolladas sobre sí mismas, de una en una o variasconcéntricas, dando lugar a cilindros huecos mono omulti-pared y, más aun, que dichos tubos, que poseentamaños en torno a las decenas de Angstroms, o seaque se encuentran en la región dimensional de losnanometros (1 nm <> 10-9 m), pueden estar abiertos ocerrados en sus extremos. La Figura 12 recoge laprimera imagen de dichas entidades.

Los nanotubos presentan unas propiedades quími-cas extraordinarias y nada más descubrir su presencia,el grupo de Ijima demostró la posibilidad de rellenarcon diferentes metales los nanotubos que puedenabrirse por un extremo calentándolos con el metal fun-dido. Es importante en este contexto indicar que, sibien las paredes del tubo están formadas por hexá-gonos, igual que el grafeno/grafito, los extremos estánformados por hexágonos y pentágonos, lo que les hacemás reactivos. Tras ese pistoletazo de salida la químicade los nanotubos se ha literalmente disparado en muydiferentes direcciones dando lugar a lo que ya se puedeconsiderar otra nueva rama de la Ciencia, denominadaNanotecnología que abarca el estudio de los sólidosformados por partículas de pequeño tamaño, —nanota-maños— que precisamente por ello presentan particu-laridades muy importantes– y propiedades muy intere-santes. De entre sus características básicas destacaobviamente que al ser tan reducidas el número de áto-mos superficiales —que se encuentran en condicionesnecesariamente diferentes de las de los átomos delinterior del sólido— son una fracción importante delnúmero total de átomos del sólido. En particular, en elcaso de los nanotubos monopared, Figura 13, todos losátomos se encuentran en la superficie y, por supuesto,también en la superficie interior, por lo que su reactivi-dad es mas elevada que la del sólido “normal”. Así, enla actualidad se han rellenado los nanotubos de multi-tud de compuestos diferentes como, sales, óxidos,compuestos de coordinación y organo-metálicos que,posteriormente, por tratamiento térmico adecuado dan


Figura 12. Micrografía electrónica de transmisión de dife-rentes nanotubos multipared y representación esquemática desu sección recta. Cortesía Dr. Ijima.

Figura 13. Micrografía electrónica de transmisión de un na-notubo a) multipared y b) monopared.

lugar a diferentes productos endoédricos.... De estemodo, por la descomposición fotoquímica de clorurode plata insertado en nanotubos se han conseguidonanohilos de plata, los conductores más finos que seconocen que pueden alcanzar hasta, por lo menos, unamicra de longitud, a los que, sin duda, pronto se encon-trará aplicaciones. Otro espectacular ejemplo de estetipo de especies químicas insertadas en los nanotuboses un nanotermómetro construido llenado con galio unnanotubo de carbono. En este sentido se está trabajan-do en muchos programas de investigación en dife-rentes facetas de las posibles aplicaciones de los nano-tubos como, por ejemplo para acumular hidrógeno quese utilizaría posteriormente en pilas de combustible.Por supuesto que la inserción no solo es posible en elcaso de especies sencillas y se ha conseguido intro-ducir moléculas bastante grandes como el citocromo yla β-lactamasa, lo que también abre posibilidadesfascinantes en el campo de la biomedicina.

Pero las propias propiedes de los nanotubos, queahora —como ya ocurrió en el caso de los fullerenos sefabrican de muchos más materiales que el propio car-bono: otros elementos, óxidos, sulfuros,...— son delmayor interés. Pero, por supuesto, también se trabajaen las propiedades eléctricas de los propios nanotubos

de carbono, cuya naturaleza metálica o semiconducto-ra depende del ángulo de plegamiento de la lámina degrafeno. Con este tipo de nanotubos se está intentandodesarrollar una nanoelectrónica de la que ya se cono-cen, al menos uniones p-n y p-n-p de las que pronto sepasará a nanotransistores, de ahí a nanocircuitos...7

III.4.2. Otras nanoformas

Tras el descubrimiento de los nanotubos y pordiferentes procedimientos de preparación, se hanobtenido —a menudo de manera inesperada— muy


7 C. Lieber et al Science 292 (5517) 709 (2001).

Figura 14. Micrografía electrónica de transmisión de dosnanocebollas (Cortesía Dr. Ugarte).

Figura 15. Micrografía electrónica de transmisión denanocuernos a dos niveles de resolución (Cortesía Dr. F.Rodríguez Reinoso).

variadas formas y tamaños de nanoespecies. Sin pre-tender ser exaustivos podemos mencionar nanocebo-llas Figura 14, nanocuernos Figura 15, ... y hastananoguisantes, Figura 16, resultantes de la inserciónde moléculas de C60 en nanotubos de carbono y a losque se augura muy interesantes propiedades eléctricasentre las que se cuenta la superconductividad.

IV. DIAMANTES NATURALES YARTIFICIALES

IV.1. Una breve historia del diamante

Aunque las cosas de este mundo tienen un úniconacimiento, o no tienen ninguno, podemos decir que eldiamante es una excepción y tiene en realidad tres,incluso cuatro si nos ponemos a hacer matices científi-cos; veremos si podemos llegar a tanto, lo que serácuestión de espacio, en este, que debe ser breve, artícu-lo.

El diamante tiene, decíamos, tres nacimientos:Uno cuando nace “de verdad”, esto es, cuando se

forma en la Naturaleza, hace muchos millones de años;

tantos que no es segura su fecha de nacimiento, y enseguida volveremos a ello.

El diamante nace por segunda vez, nace para elhombre, cuando lo encuentra, lo descubre, lo admira ytrata de conseguirlo.

Y, podemos decir que el diamante nace por terceravez cuando, ¡por fin!, el hombre aprenderle a fabricar-lo.

Bueno, pues, a lo largo de los próximos renglones,vamos a explorar esos tres nacimientos, no necesaria-mente en orden cronológico, orden que naturalmentees el que hemos referido anteriormente.

La primera referencia acerca de los diamantesparece ser de Plinio el viejo, hombre excepcional,autor de una Historia Natural en treinta y siete«libros», auténtica Enciclopedia de la Ciencia en laantigüedad. Plinio el viejo era además marino ycomandaba la flota de Micena, que fue a socorrer a loshabitantes de Pompeya y Herculano, amenazados porla célebre erupción del Vesubio en el año 79.Desgraciadamente su curiosidad científica le costó lavida ya que murió, a los cincuenta y seis años, (o seaque, ¡no era tan viejo!) mientras estudiaba las carac-terísticas del impresionante fenómeno. Bueno puesPlinio refiere por primera vez al diamante y le da elnombre Adamas —el invencible— debido a sustremendas propiedades y en particular a su dureza lamayor, hasta ahora, y subrayo lo de hasta ahora, en laNaturaleza. A su vez, día, quiere decir transparente, yesa es otra característica importante de los diamantes,que son transparentes. No siempre son incoloros, sinembargo, y el color procede de las impurezas y defec-tos que se encuentran en su estructura, como luegoveremos.

Omo decíamos en la introducción los primeros dia-mantes vinieron, al parecer, de la India hace ahora dosmil años, y allí entonces se decía se encontraban en el«valle de los diamantes», lugar mitológico protegidopor terribles serpientes y del que solamente la astuciade las águilas imperiales conseguía arrancar alguna devez en cuando y de cuando en vez...; y hace algo masde trescientos años, en 1684 para ser exactos, que unviajero francés, Tavernier, pudo observar cómo hom-bres, mujeres y niños los buscaban con entusiasmo, endepósitos aluviales, en las orillas del río Krishna.


Figura 16. Micrografía electrónica de transmisión de nanogui-santes; en la parte inferior se representa el modelo de imagenobtenida por simulación.

Quizá el primer regalo de un diamante como ofren-da de amor —la publicidad diamantífera dice: el dia-mante es para siempre, como el amor que con el rega-lo se promete...— del que hay noticia escrita es delsiglo XV cuando Carlos VII, el que gracias al empujede Juana de Arco expulsó a los ingleses de Francia,quien regaló uno a su amante Agnes Sorel.

A principios del siglo XIX aparecen los diamantes,por primera vez fuera de la India, en Brasil, tambiénprocedentes de aluvión.

Y, por fin, en 1867, en un torrente seco de Áfricadel Sur se encontraron diamantes primarios, esto es,formados en la misma roca en que aparecen. Así“nació” el Eureka: un precioso objeto cristalino deltamaño de un huevo de petirrojo, de color blanco azu-lado —el diamante, no el petirrojo— y mas de veintequilates —del árabe quirat, y este del griego κεατιου,“el peso de cuatro granos”, en realidad cuatro semillasde algarrobo. Da ahí también deriva la voz inglesaequivalente carat, a menudo traducida, impropia-mente, como carate.

El quilate de los metalúrgicos es una medida de lapureza de los metales, habitualmente del oro que,cuando puro, se dice es de 24 quilates. Para los joyerosdiamantíferos, sin embargo, el quilate es una medidadel peso de estas gemas, y uno de ellos representa elciento cuarentavo de la onza —y esta el dieciseisavode la libra— o sea 0.204 gramos, por lo que el Eurekapesó nada menos que ¡cuatro gramos!. Ciertamenteque, tan solo dos años después, en 1907, el Eureka fueampliamente superado por el Estrella de Sudáfrica,cuatro veces mas pesado, !nada menos que 16 gramos!y que dio lugar a una autentica estampida de mas deveinte mil mineros hacia las zonas hoy casi míticas delcontinente africano en las proximidades de los ríosVaal y Orange y que llevan resonantes nombres boer:Bultfontein, Jagersfontein.... No es casualidad que unode los puntos claves del mercado diamantífero seaÁmsterdam y otro Amberes...

El lugar culminante fue sin embargo Kimberley,donde los mineros observaron que el filón se extendíaen vertical hacia el fondo, en lo que se denomina untubo que, tras atravesar una zona de color amarillentoque se denominó, muy adecuadamente, TierraAmarilla, llegaba a otra de color azulado mas rica en lapiedra preciosa y que obviamente recibió el nombre de

Tierra Azul. Tras excavaciones y estudios geológicosse demostró que estos tubos no eran sino chimeneasvolcánicas cuyos conos habían desaparecido por laacción de la erosión.

Esta nueva “quimera del oro” dio lugar, como laanterior, la californiana, a unas cuantas fortunas rápi-das, y espectaculares y a la dilapidación de lasrestantes. Como dice el proverbio provenzal “dineroque fácil llega, fácil se va”. Así, miles de “desespera-dos” se lanzaron a la búsqueda de diamantes sin quemuchos de ellos consiguieran algo mas que “cambiartierra de sitio” convirtiendo a la mina premier deKimberley en un desolador paisaje que puede conside-rarse casi como el mayor “termitero” del mundo.

Una vez que se ha extraído el mineral diamantífero,hay que separar los diamantes de la ganga, lo que esuna empresa considerable si se tiene en cuenta que laconcentración en las mejores minas es del orden de 1parte en diez millones, o sea un quilate por tonelada;pero vale, desde luego, la pena, dados los increíblesprecios que alcanzan los diamantes, y sus productos detalla, los brillantes en el mercado...En este sentido,cabe señalar que, contrariamente a otras materias quesirven para realizar objetos de ornamentación, como eloro, no es posible dar un precio único para el diamante,pues cada uno tiene su propio —en mucha medida sub-jetivo— valor, función de su color y talla, y no solo desu peso.

Tras el descubrimiento de Kimberley, se buscaronotras minas y de entre ellas destacan las de Siberia, queestán por encima del Circulo Polar Ártico, por lo que lamayor parte del tiempo está el terreno helado, y las delZaire. De este modo la producción de diamantes natu-rales no ha hecho sino aumentar y, en 1988 se extra-jeron en todo el mundo mas de 100 millones dequilates de diamantes naturales (o sea, 20 millones degramos, o sea veinte mil kilos, o sea ¡veinte toneladasde diamantes!).

Obviamente, no todos los diamantes producidos entodas las minas son iguales y, de acuerdo con su aspec-to, características y aplicaciones posibles se suele aten-der a tres grandes grupos de productos:

Gemas: utilizadas en joyería y decoración tras unelaborado y complejo proceso de talla.


Diamantes industriales: cuya calidad no permitelo anterior pero sí su aplicación en abrasivos e instru-mentos de corte.

Polvo «Boart» que abarca al resto del producto deextracción y que también también tiene aplicacionesindustriales.

IV.2. Fabricación de diamantes

Y el diamante nace, pues, por tercera vez el día enque el hombre logra fabricarlo con sus manos. Porcierto que lo de con sus manos es un decir, porque parafabricarlo hacen falta complejos instrumentos ypesadas máquinas como iremos viendo a continuación.

Y al decir que el hombre ha conseguido fabricar eldiamante debíamos quizá particularizar un poco, eindicar que no lo ha fabricado el hombre, en genérico,sino que lo ha fabricado algo mas concreto, quepodríamos definir de manera general como laSociedad Americana, no toda ella, claro, un puñado decientíficos dentro de ella; pero que ello haya ocurridoasí no es, creemos, producto de la casualidad, sino deltipo de sociedad existente en los Estados Unidos deNorteamérica.

En efecto, la sociedad estadounidense, la deFranklin, Edison, Ford, du Pont, Kodak, Packard oGates, se basa, se sustenta y se edifica sobre la investi-gación científica y en ella, en esa sociedad que cree enla Ciencia y la Técnica, unos “nuevos alquimistas”como los define Robert M. Hazen en un interesantelibro, consiguieron, hace ahora cincuenta y un año, eldieciséis de Diciembre de 1954, para ser exactos, con-siguieron, decía, reproducir la obra inerte mas perfectade la Madre Naturaleza: el diamante.

Esos científicos realizaron la preparación artificialde los mismos. Y lo de artificial viene a cuento porquecasi de un artificio, o mejor aun de un arte se trata,pero no solo de eso, se trata también de una ciencia. Lafabricación de diamantes sintéticos ha requerido laconjunción de muchos esfuerzos dedicados a la reali-zación de increíbles ingenios mecánicos, de enormesprensas que aplican su tremenda fuerza hidráulica, através de complejísimos sistemas de yunques escindi-

dos en hasta ocho trozos, a cilindros de platino rellenosde cualquier material que contenga carbono: Grafito,por supuesto, la forma “plana”, hojosa del carbono,estable en las condiciones ordinarias de la superficiede nuestro planeta, pero también azúcar, papel, jarabede arce, hollín, margarina de cacahuete y hasta alas demosca..., pues todos estos y algunos otros igualmenteincreíbles productos de partida tuvo que utilizar BobWentorff para conseguir defender unas patentes de laGeneral Electric que, en su afán de cubrir el máximoterritorio de la fabricación industrial de estas piedras,pretendió en aquellas que todo lo que tiene carbono dadiamantes, lo que en realidad resulta ser cierto!, paraque nadie mas pudiera fabricarlos.

La producción de diamantes no es ni mucho menostrivial y para conseguirla también han tenido que pro-ducirse otros desarrollos científicos y técnicos como laobtención de aleaciones superduras como el carburo dewolframio, WC que, tras esa algo impúdica fórmula,esconde una elevada dureza, capaz de ser utilizada enla preparación de la sustancia mas dura que hasta aho-ra se conoce. Gracias a todos esos esfuerzos, hoyconocemos con gran detalle las relaciones íntimasentre grafito y diamante —lo que los científicos lla-mamos el diagrama de fases del carbono Figura 2,—que hace poco acaba de complicarse, ¡quien lo hubieradicho hace unos años!, con la llegada de los fullerenos,materiales interesantísimos donde los haya y que,¡como no!, tratados adecuadamente también puedendar lugar a diamantes.

Los diamantes no han sido solo objeto de deseo dereyes y banqueros, también se han ocupado de ellos losjuglares y otros cuentistas, que los consideraban trozosde estrellas caídos del cielo o cristales formados por elrayo en el fondo del océano. Y, claro está, los dia-mantes han sido el objeto de reflexión y estudio de loscientíficos, que primero querían saber lo que eran ydespués reproducirlos y reproducir sus propiedades.Aun hoy se intenta mejorarlas con los llamados mate-riales superduros tipo nitruro de boro, segundón deldiamante en las escalas de dureza y el deseado, predi-cho y aún no fabricado, nitruro de carbono que sería,de acuerdo con las predicciones teóricas de Liu yCohen8, aun mas duro.


8 A. Y. Liu & M. L. Cohen, Science 245 841 (1998).

La mayoría de los sabios que se han dedicado alestudio del diamante son personajes peculiares y, a lolargo de los últimos ciento setenta años que hasta aho-ra van de intentos, mas o menos exitosos, de fabri-cación del mismo, se han escrito algunas de las pági-nas mas sorprendentes de la Historia de la Química.

Newton dedicó muchas horas a la observación delos diamantes y los consideraba como “una sustanciauntuosa congelada que debía ser combustible”.Lavoisier se acercó un poco mas y tras quemar variosdiamantes concentrando la luz solar por medio de unalente, concluyó que, efectivamente, ardían.... En 1797,cinco años después de que la guillotina se llevase aLavoisier, Tennant cuantificó sus resultados, ydemostró, por primera vez, que se trataba de carbonopuro cristalizado. Cuando se descubrieron los RayosX, hace ahora ciento cuatro años, que como ya hemosdicho, Bragg utilizó para determinar cómo estaban dis-puestos los átomos en un cristal, y en su estudio deldiamante concluyó que, en su perfecta regularidad,cada átomo de carbono estaba rodeado de otros cuatro,igual pues que en muchas de las especies molecularesdel carbono como ya se recogía en la hipótesis de leBell y vant’Hoff. Se abría así, por Bragg, la puerta paracomprender las espectaculares propiedades del dia-mante, que no solo es duro, muy duro y transparente,sino que además refleja e irisa la luz de mil manerascuando está tallado; el propio Michael Faraday teníauno colgado en el salón de su casa de la RoyalInstitution para dispersar los rayos de sol como ele-mento decorativo, y que aun hoy se conserva en elviejo caserón de Albermarle Street, en Londres.

La historia de la fabricación artificial del diamanteconstituye, ciertamente, uno de los capítulos más apa-sionantes de la historia de la Química. Con laspropiedades que posee, incluyendo su belleza, perotambién y sobre todo su dureza y sus conductividadeseléctrica —casi nula— y térmica —la más alta conoci-da— no es de extrañar que algunos de los mejoresexperimentadores de la Química, y aun de la Física y laIngeniería se hayan dedicado a buscar la manera defabricar el polimorfo más valioso del carbono. Y paraello, la primera inspiración surge de la propiaNaturaleza, donde el diamante aparece en ...el sol, yotras estrellas —El diamante más grande conocido esen realidad un objeto celeste, del tamaño de la mitad dela Luna que se encuentra en la constelación de

Sagitario. Dicho cuerpo es el residuo de una estrellaque se extinguió —¡murió!— hace dos millardos deaños, dejando pues el más fabuloso legado del que setiene noticia: un peso de 1024 toneladas de diamante.Sin embargo, situado a unos 50 millones de años luz dela tierra, parece poco probable que podamos ir aexplotarlo como no podremos explotar los otrosmuchscuerpos celestes análogos que existen el inmenso uni-verso en que nos encontramos. También aparecenmicrodiamantes en algunos cometas y se han encontra-do así mismo en meteoritos. En nuestro planeta, comoen esos lugares, los diamantes se producen en condi-ciones de alta presión y alta temperatura, como las queexisten en el manto terrestre, y de él son transportadosa la corteza por medio de flujos volcánicos a lo largode las denominadas “pipas”. En estos tubos por los quefluyen gases y lava volcánica, quedan incrustados losdeseados cristales, naturalmente en bruto, esto es sintallar, sin caras...

La observación experimental de que el carbonocristalizado en la estructura diamante es sensiblementemás denso que en la del grafito ( y

indica que para fabricar aquel apartir de este es necesario elevar la presión. Pero,como es obvio, al incrementarse la presión, elmovimiento de los átomos, necesario para transformaruna estructura e la otra, se ve dificultado al contraer elcristal. Por ello, al incremento de la presión hay queacompañarle, inevitablemente, de un incremento de latemperatura. Ello queda también reflejado en el dia-grama de fases del carbono, recogido en la figura 2.Así pues, desde los primeros intentos de fabricación,se ha tratado de unir esas dos variables, alta presión yalta temperatura, en el dispositivo experimental.

La historia de la fabricación del diamante pasa pordiferentes periodos entre alquimistas, charlatanes yotros pillos y el primer intento serio parece ser el deCagnard de la Tour, en 1828; pero sus muestras notenían carbón sino corindón, un óxido de aluminiomuy duro —siguiente al diamante en la celebre escalade Mohs— y periclasa, el óxido típico de magnesio,mucho mas blando...En los intentos de esa época falta-ba, desde luego, el estudio sistemático que llevó al éxi-to en los años cincuenta de este siglo.

El primer científico que se dedicó a este trabajo fueel escocés Hannay, brillante autodidacto, que llegó amiembro de la Real Sociedad de Edimburgo a los 21


3d 3.514 kg mρ =

3g 2.266 kg mρ =R

años y que fue jefe del laboratorio de un importanteindustria química en Glasgow. Hannay introdujo en labúsqueda artificial del diamante dos ideas fundamen-tales, la necesidad de la presión y la importancia delproceso de disolución/cristalización. Porque, sin estas,no se puede, para ser exactos no se podía (ver mas ade-lante) fabricar diamantes. Si bien la utilización de lapresión le vino sugerida por el descubrimientogeológico en África del Sur a que antes hacíamos refe-rencia, la disolución de metales alcalinos, como litio ysodio, en parafina, a la que por un tiempo se estuvodedicando, dio lugar, de modo bastante inesperado, aun depósito negro, carbonoso, que Hannay creyó for-mado por diamantes. De ahí su idea de disolver calen-tando, y a presión, todo tipo de sustancias en multitudde disolventes y ello, en 1870, con métodos primitivosconsistentes por lo esencial en rellenar tubos de hierrocon aceite y litio y, tras cerrarlos por ambos extremos,calentarlos largamente a temperaturas muy altas. Ello,naturalmente, daba lugar a tremendas explosiones;más aun, cuando no explotaban, quedaba el no menorproblema de abrirlos. Aunque, de acuerdo con sucuaderno de laboratorio, en solo tres ocasiones, de untotal de ochenta, se mantuvo el tubo intacto, en uno deellos aparecieron cristales de diamante. Sin embargo,análisis recientes de los que se conservan en el MuseoBritánico como primeros diamantes sintéticos,demuestran que, por razones que tienen que ver coninclusiones y otros defectos, se trata de diamantes na-turales y no artificiales. Que ¿cómo pudieron aparecerdiamantes naturales en los experimentos de Hannay?.Bueno pues hay tres hipótesis:

Fraude del propio Hannay

Fraude de alguno de sus colaboradores

Que utilizase diamantes naturales como semillas decrecimiento

Tras Hannay, llega el turno a Moissan quien, trasdiseñar un ingenioso horno eléctrico, también trasdesarrollar la Química del peligroso flúor, lo que levalió la pérdidad de un bazo, pero también el PremioNobel de Química en 1906, intentó, también sin éxito,la preparación de diamantes. Aunque Moissan intuyóla necesidad de la presión, no encontró mas posibilidadde mimetizarla que la solidificación brusca del hierrofundido en el que disolvía carbón. De esta manera,Moissan consiguió simplemente —aunque deberíamos

decir, consiguió ¡nada menos que!— la síntesis depequeños cristales de carburo de silicio que, conocidocon el nombre de Moissanita, es un interesantísimorefractario utilizado en la construcción de resistenciaseléctricas y que posee el privilegio de adoptar mas deciento treinta estructuras cristalinas distintas, todasellas parecidas a la del diamante, para una misma com-posición; esto le confiere el título de arquetipo delpolitipismo.

Y llegamos así a Bridgman, el auténtico innovadoren la utilización de las altas presiones y tambiénPremio Nobel, de Física, en 1946.

Percy Bridgman, catedrático en Harvard dondetambién se había graduado, en 1904, y doctorado, algoinfrecuente y, mas aun, para un nativo de Cambridge,Massachusetts. Hombre solitario tuvo entre sus dis-cípulos a Robert J. Oppenheimer —“Oppy”, para losamigos; el director del Proyecto Manhatan— y aSlater, —el creador de la teoría de OrbitalesMoleculares junto con Mulliken— pero siempre pre-firió dedicarse a su propio trabajo, experimental, consu asistente técnico. Bridgman era un consumadomecánico —capaz, se dice, de hacer un taladro de undieciseisavo de pulgada en un cilindro de cuarenta cen-tímetros de largo, en solo siete horas—. Estamoshablando de los años cuarenta, en que no había tornosautomáticos pilotados por ordenador...

Bridgman dedico su vida a someter diferentesmateriales a elevadas presiones y temperaturas, en par-ticular el agua, encontrando muchas fases diferentesdel hielo en un trabajo notable y clásico.

Bridgman sometió al grafito, al que consideraba,tras sus vanos esfuerzos para fabricar diamantes, “elmejor muelle que existe en la naturaleza”, a presionesde hasta 425.000 atmósferas, utilizando una prensa de3.000 toneladas, aplicadas a una pulgada cuadrada.

Pero faltaban dos puntos cruciales, la temperatura yel catalizador. Se cuenta que, cada vez que Bridgmanconseguía una mejora en su aparato hacía un experi-mento con grafito para ver si conseguía los ansiadoscristales.... Hombre de personalidad compleja, que sesuicidó en 1961 al saber que tenía cáncer óseo, con-siguió, poco antes, fabricar diamantes en un experi-mento que realizó cuando los científicos de GEC le


invitaron a visitar el laboratorio donde se consiguió laprimera síntesis.

Pero antes de llegar a esa primera síntesis reporta-da, tenemos que mencionar lo que se puede denominarcomo el “intento sueco” y decir algo de la no menosincreíble biografía de Baltzar von Platen quien, trashacerse famoso y rico con el desarrollo de una neveraportátil al terminar la segunda guerra mundial, yaprovechando esa fama, se embarcó en diferentesproyectos —unos mas disparatados que otros; entreellos el de conseguir un perpetuum mobile, lo quecomo todos sabemos solo pudo conseguir NicoloPaganini con su Motto perpetuo, en un contexto biendiferente, y, por último el de fabricar diamantes. Lahistoria de este hombre es apasionante, como lo es suintento de fabricar diamantes; intento iniciado en loslavabos de un viejo palacio de verano, construido porel rey Gustavo Adolfo II de Suecia para su amanteEbba Brahe. Tras el caso de Agnes Soel antes eferido,queda claro que las amantes de los poderosos hantenido mucho que ver con los diamantes...

Esta historia tiene un final feliz pero atípico: el díadieciséis de Febrero de 1953, los científicos de laempresa sueca ASEA, tras eliminar discretamente delequipo al peculiar von Platten, consiguieron dia-mantes, esta vez auténticos, y el experimento fuereproducido con éxito en otras dos ocasiones con unpar de meses de intervalo. Pero, por razones quesiguen oscuras, el equipo del llamado Proyecto QUIN-TUS, nunca publicó su descubrimiento; quizá, porque,a pesar del éxito, el procedimiento era tan caro y com-plejo que no merecía la pena hacerlo a escala industri-al, lo que en cierta medida suponía un fracaso; quizápor otras razones...

Llegamos así al proyecto definitivo, Project super-pressure el proyecto de otra gran corporación, esta veznorteamericana, la GEC, la compañía de Edison, quenecesitaba diamantes para cortar las herramientassuperduras que le permitían trabajar y estirar en hilosel wolframio de los filamentos de las bombillas. Bajola dirección de un gestor de acusada personalidad, A.J.Nerad, —cuya divisa “no se queje, es signo de incom-petencia” figuraba en las paredes del taller, mas que

laboratorio, en el que se desarrolló el proyecto—, unequipo de cinco variopintos científicos consiguió demanera reproducible y sistemática, hacer realidad elviejo sueño y, tras ello, iniciar otra línea de fabricaciónde productos que dejaban ¡y dejan! grandes beneficiosa GEC.

Los componentes del equipo, que tras el éxito, eincluso antes de él, se fragmentó en enemigos irrecon-ciliables —lo que probablemente les costó el PremioNobel...,— los componentes de ese equipo, decía,merecen que les recordemos: Francis Bundy, HerbertStrong, James Cheney, Harold Bovenkerk y, quizássobre todo, Tracy Hall. Pero para fabricar el diamante,este grupo tuvo que trabajar durante años innovando,de paso, en muchos aspectos de la Ciencia deMateriales, del diseño de prensas hidráulicas y sobretodo del recinto de reacción: un conjunto que, sinentrar en demasiados detalles técnicos, (piénsese quehay que calentar a mas de mil grados centígrados y amas de cien toneladas por centímetro cuadradosimultáneamente) está formado esencialmente por dospistones cilíndrico-cónicos de carburo de tungstenoactuando en vertical sobre una muestra encerrada enuna cápsula de platino que está a su vez embutida enuna cámara también de WC.

Tras multitud de experimentos fallidos, y tras dise-ñar y hacer construir una Prensa hidráulica de 1000toneladas, que medía mas de seis metros de altura ypesaba 55 toneladas, Bundy y Strong consiguieron,tratando durante dieciséis horas una mezcla de carbóny lámina de hierro a la que añadieron dos pequeñossemillas diamantinas, a 50 000 atmósferas y 1250 gra-dos centígrados, producir el 8 de Diciembre de 1954,nada menos que un cristalito octaédrico adherido a lalámina de hierro, además de las dos semillas intactas.El cristalito era, por lo demás difícil de analizar dadosu pequeño tamaño y las técnicas de la época. Añosdespués, los autores de dicho experimento publicaronuna rectificación del mismo, basada en análisis contécnicas más precisas, descartando que el dicho crista-lito fuera, efectivamente, un diamante9

Posteriormente10, el 16 de diciembre de ese mismoaño, en la cámara diseñada por Hall —el celebrado


9 F. P. Bundy, H. T. Hall, H. M. Strong, & R. H. Wentorff, Nature 176 51 (1955). Ver además H. P. Bovenkerk, F. P. Bundy, R. M. Chenko,P. J. Codella, H. M. Strong & R. H. Wentorff Jr, Nature 365 2 de septiembre de 1993.10 H. T. Hall. Rev. Sci. Instr. 31 125 (1960).

Belt de Hall— que, por los desacuerdos dentro delequipo, trabajaba en una prensa distinta, y maspequeña, aparecieron docenas de cristales, tras tratar,durante treinta y ocho minutos, a 100.000 atmósferas y1 600 grados centígrados una mezcla de grafito y sul-furo de hierro en un cilindro de tántalo.

En los días subsiguientes, el experimento de Hallpudo ser repetido docenas de veces con éxito, no así elde Strong y Bundi. por lo que en principio puede con-siderarse que Hall fue el primer hombre que consiguiópreparar diamantes...especialmente a la luz de la recti-ficación posterior ya mencionada.

La Naturaleza había sido pues emulada, pero, traseste magnífico éxito, Hall abandonó GEC decepciona-do por el casi nulo reconocimiento de su labor que solofue premiada con los simbólicos —en todos los senti-dos— veinticinco dólares que se asignaba a cadamiembro de la compañía que contribuía al estableci-miento de una patente.

A partir de ese momento, el desarrollo del procedi-miento consistió en tratar de controlar la forma de loscristales para adaptarlos a las diferentes aplicaciones yen fabricar y vender diamantes sintéticos. Así, en 1959se fabricaron un millón de quilates, el 10% del merca-do mundial de diamantes, mientras que al año sigu-iente se fabricaron seiscientos kilos. Simultáneamenteel precio del quilate cambió radicalmente y ya no estu-vo controlado únicamente por las compañías mineras.En 1957 un quilate de diamante natural costaba algomenos de tres dólares, mientras que el manufacturadocostaba seis dólares. En 1961, el precio de este sehabía terciado.

Mas tarde, el consorcio minero de Sudáfrica —deBeers— que llegó a fabricar diamantes casi cuatroaños después, y a punto estuvo de conseguir laspatentes antes, debido al secreto oficial que impuso elgobierno norteamericano, se asociaba con GEC y entrelas dos controlaban el mercado de diamantes tanto na-turales como artificiales.

En la actualidad se fabrica en Belfast, Sudáfrica, yen la Isla de Man -donde se ha conseguido un diamantesintético de catorce quilates —2.9 gramos— y 0.8 cm3,el mayor hasta ahora conseguido articialmente, peroque no soporta la comparación con los mejores de los

naturales, en el estado de Florida...y en varios sitiosmás. De entre los diamantes naturales destaca laEstrella de las Estaciones de sesenta gramos, querecientemente se subastó en Londres y alcanzó unapuja de dos mil millones de pesetas o, por encima detodos, el Cullinam de 3 166 quilates, nada menos que¡621. 2 gramos!.

Tan grueso era que se dijo inicialmente que no erasino un pedrusco y el capataz lo tiró por laventana...Afortunadamente el diamante es duro. Trasreconocerle como el mayor diamante conocido se letalló en nueve piedras mayores, de las cuales dos figu-ran en la colección de joyas de la corona británica, yciento dieciséis menores que se entregaron como pagopor su trabajo a los joyeros que las tallaron.

Obviamente, una vez que tales presiones estuvierona disposición de los científicos, estos han intentadoaprovecharlas en los mas dispares y variados experi-mentos abarcando desde la Astrofísica a la Geologíapasando, desde luego por Física y Química del estadosólido.

Uno de los primeros desarrollos científicos ha con-sistido en la determinación del punto triple del car-bono, en el que coexisten Grafito, Diamante y CarbonoLíquido, conocido el cual es posible efectuar el pasodirecto de grafito a diamante sin necesidad de catali-zadores.

Obviamente, en condiciones tan extremas, 4100 Ky 125 Tm/cm2, no es práctico, ni tampoco económico,fabricar diamantes, por lo que se sigue utilizando lapresencia de catalizadores para facilitar y acelerar lareacción.

Los años en que se desarrolló la fabricación artifi-cial del diamante coinciden con los de la hoy fenecida“guerra fría” y, teniendo los diamantes gran valorestratégico, cabe preguntarse donde estaba la investi-gación soviética en ese campo en dicho periodo.

En realidad la mayor contribución de los científicossoviéticos ha sido, probablemente, en la obtención dediamantes a ... ¡bajas presiones!. Aunque no lo hanhecho únicamente ellos, y en muchos casos han sidolos japoneses los que han conseguido resolver losproblemas, la historia de la fabricación del diamante a


bajas presiones comienza y se desarrolla en gran medi-da en el grupo de Derjaguin, por lo demás desafortu-nadamente célebre por sus trabajos sobre la supuestaagua polímera.

Así pues, Derjaguin y sus colaboradores pusieron apunto un interesante procedimiento para crecer pelícu-las de diamante por descomposición a alta temperaturay baja presión de una mezcla de metano e hidrógeno,que se descompone sobre un filamento de wolframio yse deposita sobre un substrato que, frecuentemente esde silicio monocristalino. Dado que el procedimientode preparación y en particular las condiciones termodi-námicas de obtención de las películas de diamante sonta diferentes de las que se dan en la síntesis a altapresin, podemos decir que el diamante nació por cuar-ta vez cuando se consiguió fabricarle en forma depelículas...

Dado que el silicio presenta la misma estructuraque el diamante, aunque, lógicamente con dimen-siones interatómicas distintas, es posible hacer creceraquel sobre este, en lo que se conoce con el nombre decrecimiento epitaxial. Tras estos trabajos pioneros,muchos laboratorios en todo el mundo están desarro-llando el crecimiento de películas diamantinas que sepodrían utilizar como substrato en multitud de aplica-ciones en electrónica o como recubrimiento en herra-mientas de corte o abrasión, entre otras muchas aplica-ciones. Así pues, el diamante ha vuelto a nacer, porcuarta vez, y a bajas presiones...

A MODO DE CONCLUSIÓN

Los párrafos anteriores muestran de manerainequívoca la interesantísima química del elementocarbono, corroborando en gran medida lo que al prin-cipio decíamos de su singularidad dentro del variadísi-mo conjunto de elementos que recoge la TablaPeriódica. Y ello a pesar de que, por obvias razones deespacio, no hemos podido desarrollar in extenso laextraordinariamente diversa química de las formasmás recientemente descubiertas: fullerenos y nanotu-bos.

Pero otra característica importante que convieneseñalar para terminar este artículo es que una granparte de la Química del carbono se ha descubierto enlos últimos veinte años. El diagrama de fases del car-bono que recoge la Figura 17 es bastante diferente delque veíamos en la Figura 2. ¿Quién dijo que había lle-gado el fin de la Ciencia? Casi cada día aparecen des-cubrimientos que nos sorprenden. A luz de la historiaes fácil decir que eso va ocurrir siempre.

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10. H. T. Hall. Rev. Sci. Instr. 31 125 (1960).


Figura 17. Diagrama de fases del carbono en la actualidad(semicuantitativo).

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