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» » » Descubren un 'buckyball' de boro

Referencia: ScienceDaily.com .
por Joseph Castro, 13 de julio 2014

El descubrimiento de buckyballs, moléculas de carbono con forma de pelota de fútbol, ayudó a marcar el comienzo de la era de la nanotecnología. Ahora, los investigadores han demostrado que el boro, vecino del carbono en la tabla periódica, puede formar una molécula similar a las Buckyball. Hasta ahora, una estructura así de boro tan sólo era una especulación teórica. Los investigadores han llamado a su recién descubierta nanoestructura "borofereno".

El descubrimiento, hace 30 años, de unas moléculas de carbono con forma de pelotas de futbol llamadas buckyballs ayudó a estimular una explosión de investigación en nanotecnología. Ahora, investigadores de la Universidad Brown, la de Shanxi y la de Tsinghua en China, han demostrado que un grupo de 40 átomos de boro forma una jaula hueca molecular similar al buckyball de carbono. Es la primera evidencia experimental de dicha estructura .

"Esta es la primera vez que una jaula molecular de boro se ha observado experimentalmente", comentó Lai-Sheng Wang, profesor de química en la Universidad Brown, que encabezaba el equipo que hizo el descubrimiento. "Como químico, el hallazgo de nuevas moléculas y estructuras es siempre emocionante. El hecho de que el boro tenga esta capacidad para formar este tipo de estructura es muy interesante."

Wang y sus colegas describen dicha molécula, denominada borofereno, en el journal Nature Chemistry.

Los buckyballs de carbono están hechos de 60 átomos de carbono, dispuestos en pentágonos y hexágonos para formar una esfera como una pelota de fútbol. Su descubrimiento en 1985 estuvo seguido por el descubrimiento de otras estructuras huecas de carbono, entre ellas los nanotubos de carbono. Otro famoso nanomaterial de carbono, que siguió poco después, fue una lámina de un átomo de grosor llamado grafeno.

Después de los buckyballs, los científicos se preguntaron si otros elementos podrían formar estas extrañas estructuras huecas. Uno de los candidatos era el boro, vecino del carbono en la tabla periódica. Pero debido a que el boro tiene un electrón menos que el carbono, no puede formar la misma estructura 60 átomos hallada en los buckyball. Los electrones que faltan causarían que el cluster colapse sobre sí mismo. Si existía una jaula hueca de boro, tendría que tener un número diferente de átomos.

Wang y su grupo de investigación han estado estudiando la química del boro durante años. En un artículo publicado a principios de este año, Wang y sus colegas demostraron que, los grupos de 36 átomos de boro forman discos delgados de un solo átomo de espesor, que pueden ser cosidos entre sí para formar un análogo al grafeno, el doble borofeno. Los trabajos preliminares de Wang sugerían que había algo especial en los agrupamientos de boro con 40 átomos. Parecían estar anormalmente estable en comparación con otros grupos de boro. Averiguar qué era requería una combinación de trabajo experimental y usar el modelado con supercomputadoras de alto rendimiento.

Los colegas de Wang modelaron más de 10.000 arreglos posibles de 40 átomos de boro unidos entre sí. Las simulaciones por ordenador estiman no sólo las formas de las estructuras, sino también estiman la energía de enlace de los electrones para cada estructura, una medida de la fuerza con la que cada molécula conserva sus electrones. El espectro de energías de enlace sirve como una huella dactilar única de cada estructura potencial.

El siguiente paso consistía en testear las energías de enlace reales de los grupos de boro en el laboratorio, y comprobar si coinciden con alguna de las estructuras teóricas generadas por el ordenador. Para hacer eso, Wang y sus colegas utilizaron una técnica llamada espectroscopia de fotoelectrones.

Los trozos mayores de boro son impactados con un láser para crear el vapor de átomos de boro. Se congela  luego el vapor con un chorro de helio en pequeñas agrupaciones de átomos. Los grupos de 40 átomos se aíslan por peso, posteriormente se le aplica un segundo láser, el cual golpea a un electrón hacia fuera del grupo. El electrón expulsado vuela por un largo tubo que Wang llama "pista de carreras de electrones". La velocidad a la que los electrones vuelan por esa pista de carreras se utiliza para determinar el espectro de energía de enlace de los electrones de la agrupación, su huella estructural.

Los experimentos mostraron que los grupos de 40 átomos forman dos estructuras con distintos espectros de enlace. Estos espectros resultaron ajustarse exactamente con los espectros de las dos estructuras generadas por los modelos computerizados. Uno de ellos era una molécula semi-plana y el otro era la jaula esférica similar a un buckyball.

"El avistamiento experimental de un espectro de enlace que se concuerda con nuestros modelos es de suma importancia", señaló Wang. "El experimento nos daba unas firmas muy específicas, y esas firmas eran las adecuadas de nuestras modelos."

La molécula borofereno no es tan esférica como la de su primo de carbono. En lugar de una serie de cinco o seis anillos formados por el carbono, el borofereno consta de 48 triángulos, cuatro anillos de siete lados y dos anillos con seis asociados. Sobresalen un poco varios átomos unos de otros, haciendo que la superficie del borofereno sea algo menos lisa que un buckyball.

En cuanto a los posibles usos del borofereno, es un poco demasiado pronto para decirlo, apunta Wang. Una posibilidad, señala, podría ser el almacenamiento de hidrógeno. Debido a la deficiencia de electrones del boro, el borofereno probablemente se une bien con el hidrógeno, de esta manera, las pequeñas jaulas de boro podrían servir como refugios para las moléculas de hidrógeno.

No obstante, por ahora Wang está disfrutando del descubrimiento.

"Para nosotros, ya es una gran cosa ser los primeros en haber observado esto", adujo Wang. "Por supuesto que, si resulta ser útil aún sería más grande, pero no lo sabemos todavía. Esperemos que este hallazgo inicial estimule más el interés en los grupos de boro y surjan nuevas ideas para sintetizarlo en grandes cantidades."


- Fuente: Brown University vía AlphaGalileo.org .
- Imagen: Los investigadores han demostrado que los grupos de 40 átomos de boro forman una jaula molecular similar al Buckyball de carbono. Esta es la primera evidencia experimental de que existe una estructura de este tipo de boro. Crédito: Universidad Wang laboratorio / Brown
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