Fullerenos y grafeno en el espacio

Aníbal García Hernández / 11-01-2012

Uno de los principales desafíos actuales en Astroquímica es comprender las vías de formación en el espacio de moléculas orgánicas complejas: los fullerenos, el grafeno y los hidrocarburos policíclicos aromáticos, entre otros.

¿Cómo se sintetizan estas especies complejas basadas en el carbono? ¿Cuál es su papel en la química y física del medio interstelar/circunestelar? ¿Qué otras formas de carbono están presentes en el Universo?

Los fullerenos son moléculas tridimensionales estables y muy resistentes formadas exclusivamente por átomos de carbono. Los más comunes son C60 y C70. En el caso de los fullerenos C60, sus patrones de hexágonos y pentágonos los asemejan al diseño de un balón de fútbol, y en el caso de los fullerenos C70, al de una pelota de rugby.Este tipo de moléculas fueron sintetizadas por primera vez en un laboratorio hace veinticinco años por H. Kroto y R. Smalley, quienes por este logro recibieron el Premio Nobel de Química en 1996. Desde su descubrimiento, han atraído mucha atención debido a sus posibles aplicaciones en materiales superconductores, dispositivos ópticos y en medicina.

Los fullerenos se han encontrado en la Tierra y en meteoritos, pero su presencia entre las estrellas ha sido objeto de debate hasta hace muy poco, de hecho hasta el descubrimiento en los aledaños de nebulosas planetarias de los fullerenos C60 y C70, las moléculas más grandes y complejas jamás detectadas en el espacio. La notable estabilidad de los fullerenos frente a la radiación, la ionización y otras “agresiones” ha reforzado la idea de su presencia “espacial”, lo que tiene importantes implicaciones en la química y física del medio interestelar.

Extremadamente interesante ha sido también la reciente primera detección en el espacio de grafeno en algunas de estas nebulosas planetarias con fullerenos. En 2010 el Premio Nobel de Física fue concedido a los científicos A. Geim y K. Novoselov por haber sintetizado grafeno por primera vez en un laboratorio sólo siete años antes.

La detección de fullerenos y grafeno alrededor de estrellas viejas con masas iniciales como nuestro Sol indica que estas moléculas complejas son mucho más comunes y abundantes en el espacio de lo que se creía originalmente. Quizás esto indicaría que los procesos físicos básicos para originar vida podrían ser más comunes de lo que creíamos, lo que sugiere que podría crearse vida en cualquier parte del Universo.

El rol de las estrellas AGB

La mayoría de las estrellas del Universo (es decir todas aquellas con una masa inferior a ocho masas solares; M¤), sufren una intensa fase de pérdida de masa cuando se encuentran en la llamada rama asintótica de las gigantes (AGB, de Asymptotic Giant Branch). Este “adelgazamiento” estelar ocurre justo antes de que formen nebulosas planetarias y acaben sus vidas como enanas blancas. El Sol pasará por estas mismas etapas evolutivas en unos 5.000 millones de años.

La intensa pérdida de masa que las estrellas experimentan en la fase AGB enriquece el espacio interestelar con los nuevos elementos creados. En esta fase se generan moléculas en estado gaseoso y compuestos inorgánicos en estado sólido. En el medio circunestelar de estrellas que se encuentran en la etapa de transición entre las estrellas AGB y las nebulosas planetarias, se han observado una gran variedad de especies orgánicas. Entender esta fase de la evolución estelar es crucial para comprender la evolución química de una galaxia, puesto que estos materiales formarán las nuevas generaciones de estrellas y planetas.

¿Por qué estudiar el entorno circunestelar alrededor de estrellas evolucionando de la fase AGB al estado de nebulosa planetaria y no en otros lugares del Cosmos? Por sus características ventajosas: las bien determinadas condiciones físicas (densidad, temperatura), la simplicidad del sistema (una única fuente de energía con una geometría simple) y las cortas escalas temporales de los procesos químicos, que están definidos por escalas temporales dinámicas (entre 100 y 10.000 años desde la fase AGB al estado de nebulosa planetaria). Esto las diferencia de otros entornos astrofísicos muy complejos, por ejemplo el medio interestelar difuso, los discos proto-planetarios, las nebulosas de reflexión y las galaxias; y convierte a estos entornos circunestelares en lo más parecido a un laboratorio terrestre en el espacio. En él las restricciones observacionales ponen a prueba cualquier modelo físico-químico que pretenda explicar la formación de moléculas orgánicas complejas y compuestos de estado sólido.

Fullerenos, grafeno y otros actores de la vida

La presencia de fullerenos en el espacio puede explicar ciertos enigmas astronómicos como el origen de una intensa banda de absorción ultravioleta (UV) a 217 nm o las denominadas bandas difusas interestelares. Las bandas difusas interestelares se observan en todas las direcciones del Universo y su intensidad está relacionada con la extinción interestelar causada por la presencia de materia (gas y polvo) entre el objeto emisor de la radiación y el observador. La detección generalizada de este tipo de bandas indica que las moléculas responsables de su aparición deben ser muy abundantes y resistentes. Este es el caso de los fullerenos y otras estructuras químicas relacionadas con ellos: son tan resistentes que pueden sobrevivir indefinidamente en el espacio.

Los fullerenos C60 y C70 se han encontrado alrededor de nebulosas planetarias de nuestra galaxia acompañados de grandes cantidades de hidrógeno. Estas observaciones han cambiado nuestra comprensión de la formación de moléculas orgánicas complejas fuera de nuestro planeta, pues contradicen muchas consideraciones teóricas y resultados experimentales de laboratorio que defienden que los fullerenos se forman de manera muy eficiente en ausencia de hidrógeno. Las recientes detecciones de los fullerenos C60 y C70 en nebulosas planetarias de otras galaxias cercanas, la distancia a las cuales se conoce con gran exactitud, ha permitido una determinación precisa de la abundancia de estas moléculas en el espacio.

El descubrimiento de grafeno en nebulosas planetarias con fullerenos ha supuesto otra revolución. El grafeno se puede definir como una sola capa plana de átomos de carbono con una longitud casi infinita mientras que su grosor es comparable a la dimensión de un único átomo de carbono. Una molécula plana de C24 puede verse como un pequeño fragmento de una hoja de grafeno.

Por su alta conductividad térmica y eléctrica, el grafeno tiene prometedoras aplicaciones tecnológicas en la fabricación de nuevos materiales y dispositivos electrónicos avanzados: ordenadores más rápidos que los que portan transistores de silicio, pantallas de dispositivos electrónicos, paneles solares.... Además es transparente, extremadamente delgado, y permite el desarrollo de materiales doscientas veces más resistentes que el acero a partir de él… No es sorprendente que las expectativas puestas en el grafeno, considerado el material del futuro, crezcan sin cesar.

El hallazgo de fullerenos y grafeno cerca de viejas estrellas refuerza la hipótesis de su omnipresencia en el Universo, así como la de diversas estructuras moleculares relacionadas con ellos. Da paso a la excitante posibilidad de que otras formas de carbono (como los nanotubos, nanodiamantes, cebollas de carbono o nanocintas de grafeno) sean habituales en el espacio. Esto implicaría que los procesos físicos básicos que dan origen a la vida, tal cual la conocemos y basada en el carbono, podrían ser más comunes de lo que creíamos. Además, los fullerenos podrían actuar como jaulas para otras moléculas y átomos. De este modo, los fullerenos podrían haber llevado sustancias a la Tierra que habrían impulsado el comienzo de la vida. Esta teoría se basa en que estas moléculas han sido encontradas en meteoritos portando gases extraterrestres. Además, experimentalmente se ha conseguido atrapar una molécula de agua dentro de un fullereno C60.

En la actualidad, la explicación más probable para la presencia simultánea de fullerenos y grafeno en entornos astrofísicos ricos en hidrógeno es que estas especies moleculares se forman (por ejemplo, como consecuencia de colisiones) a partir de la destrucción de un compuesto carbonáceo parecido a los granos amorfos de carbono hidrogenado, los cuales muestran una mezcla de estructuras aromáticas y alifáticas. En este contexto, la coexistencia de una gran variedad de especies moleculares en ambientes ricos en hidrógeno apoya un nuevo modelo en el que la emisión infrarroja no identificada ampliamente observada en el Universo se produciría a partir de pequeñas partículas sólidas con estructuras aromáticas y alifáticas, incluyendo los fullerenos y el grafeno.

Comentarios (3)

Compartir:

Multimedia

El autor

Aníbal García Hernández es Doctor en Astrofísica por la Universidad de La Laguna. Actualmente investigador Juan de la Cierva en el Instituto de Astrofísica de Canarias, dirigió la investigación que encontró fullerenos y grafeno en nebulosas planetarias.

Ver todos los artículos de Aníbal García Hernández

Glosario

  • Astrofísica
  • Estrella
  • Nebulosa planetaria
  • Enana blanca
  • Sistema Solar
  • Medio interestelar
  • Carbono
  • Ultravioleta
  • Meteorito
  • Infrarrojo - IR