El Misterio de la Molécula más Extraña del Universo Finalmente Resuelto

Representación artística de las Buckybolas en el espacio interestelar. Consisten en 60 átomos de carbono dispuestos como balones de fútbol, Crédito: NASA JPL – Calthec.

Resulta que ni siquiera deberían existir en primer lugar.

Las Bolas de Bucky o ‘Buckybolas’ (Buckyballs) son las que rompen las reglas de la química. Estas extrañas moléculas están formadas por 60 átomos de carbono, fusionados en forma de pelota de fútbol. Durante años, los científicos asumieron que solo podían fabricarse en el laboratorio, hasta que los astrónomos las encontraron saltando en el espacio profundo en 2010.

El descubrimiento desafió todo lo que los científicos creían saber sobre el paisaje químico del espacio. Pero, cómo estos balones de fútbol de carbono llegaron a existir en el espacio, en contra de todas las expectativas, seguía siendo un misterio.

Ingrese a un nuevo estudio, que rastrea el origen de estas bolas misteriosas y cómo surgen de las cenizas de las estrellas moribundas, así como también cómo se encontraron moléculas tan complejas aquí en la Tierra.

El artículo de investigación, «Formación de C60 interestelar a partir de granos circunestelares de carburo de silicio», se publicó en la revista Astrophysical Journal Letters.

Pero, ¿qué son exactamente las buckybolas? ¿Y por qué son tan inusuales? Aquí, Inverse responde a tus preguntas sobre uno de los fenómenos químicos más extraños del universo.

¿Qué son las buckybolas?

El buckminsterfullereno, para darle a la bola de bucky su nombre completo, se fabrica en el laboratorio creando «vapor de átomos de carbono y permitiéndoles condensarse en helio», según uno de los tres descubridores de la molécula, Richard Smalley.

Modelo molecular de fullereno C60 . 
Crédito:
Dr. Kentaro Satoh/ ScienceDirect
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Las moléculas que genera este proceso están compuestas por muchos átomos de carbono fusionados en una estructura similar a una jaula. En el caso del buckminsterfullereno, la molécula está compuesta por 60 átomos de carbono dispuestas en una forma que se asemeja asombrosamente a las cúpulas geodésicas diseñadas por el arquitecto R. Buckminster Fuller; es de él que la bola de bucky obtiene su nombre icónico.

«La naturaleza está haciendo muchas cosas por las que no le damos crédito».

Las bolas de Bucky tienen algunas propiedades inusuales que acompañan a su extraña estructura: son increíblemente estables y pueden soportar altas temperaturas y altas presiones. También es la molécula conocida más pesada que exhibe dualidad partícula-onda, lo que significa que pueden comportarse como una onda y una partícula al mismo tiempo, un principio fundamental de la mecánica cuántica.

¿De dónde vienen las buckybolas?

Las buckybolas fueron descubiertas y caracterizadas (junto con el resto de moléculas de fullereno) en 1985 por un equipo dirigido por Harold Kroto, Robert Curl y Smalley. Juntos, los tres químicos ganaron el Premio Nobel de Química de 1996 por su trabajo.

El descubrimiento fue una «experiencia espiritual», dijo Smalley en su discurso del Nobel. Lo que encontró tan increíble acerca de estas moléculas fue que sugirieron que el carbono tiene un «genio para ensamblarse espontáneamente en fullerenos», algo que desafió lo que los químicos creían saber sobre el carbono, uno de los elementos más fundamentales e importantes de la Tierra.

A medida que pasaba el tiempo y los científicos se familiarizaban con las bolas de Bucky y su potencial, las cosas se volvían aún más raras. En 2010, el Telescopio Espacial Spitzer de la NASA vislumbró las bolas de Bucky por primera vez en el espacio, escondidas en las nubes de una nebulosa planetaria, o los restos de una estrella después de que se haya desprendido de su capa exterior.

Esta imagen muestra algunos de los datos que confirman las bolas de bucky en una nebulosa planetaria, el gas del que eventualmente se forman planetas como el nuestro. 
Créditos: NASA/JPL-Caltech/Universidad de Western Ontario.

Dos años más tarde, los científicos descubrieron partículas de buckybolas en el gas que orbita alrededor de una estrella, esencialmente buckybolas apiladas en una sola masa, lo que agrega peso a las observaciones iniciales de la NASA.

Y en 2019, el telescopio espacial Hubble proporcionó la evidencia más concreta de buckybolas en el espacio hasta el momento. Detectó las moléculas esféricas flotando en el medio interestelar.

Las buckybolas zangolotean como la gelatina. La animación de este artista ilustra buckybolas vibrantes, moléculas esféricas de carbono descubiertas en el espacio por primera vez por el telescopio espacial Spitzer de la NASA. Estas moléculas se sacuden, vibran y tiemblan de diversas formas, 174 para ser exactos.
Crédito:
NASA JPL – Calthec
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Estas observaciones desafiaron una teoría prevaleciente de los límites del universo: que solo las moléculas ligeras, compuestas de uno a diez átomos, podrían estar presentes. En cambio, estas bolas de Bucky contenían hasta 60-70 átomos de carbono.

Pero, de nuevo, nada sobre las buckybolas es convencional. El espacio interestelar se compone principalmente de hidrógeno y helio, y se sabe que los átomos de carbono se unen con diferentes tipos de átomos. Así que encontrar un grupo de átomos de carbono puro desconcertó a todos los científicos.

¿Cómo se forman las bolas de Bucky en el espacio?

El consenso entre los científicos había sido que la radiación intensa, como la emitida por una estrella moribunda, mataría cualquier molécula compleja, incluidas las bolas de Bucky, en el espacio. Pero, una vez más, las buckybolas desafían las expectativas de la mejor manera posible.

«El proceso que anteriormente pensábamos que destruiría cualquier molécula compleja en realidad la crea», dice a Inverse Jacob Bernal, estudiante de posgrado de la Universidad de Arizona y primer autor del nuevo estudio . «Realmente no debería formarse».

Las buckybolas, que consisten en 60 átomos de carbono dispuestos como un balón de fútbol, ​​fueron detectadas en el espacio por Hubble en 2010. Fue la primera vez que se encontró una versión cargada eléctricamente (ionizada) en el medio interestelar. 
Crédito:
NASA/JPL-Caltech
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Bernal y su equipo crearon una simulación en el laboratorio, que reveló que estas bolas de bucky espaciales probablemente se originan en carburo de silicio, o el polvo estelar compuesto de carbono y silicio que deja una estrella moribunda. El carburo de silicio es golpeado por el calor resultante de la muerte de la estrella, derritiendo el silicio de la superficie de la molécula, dejando atrás el carbono puro.

El hallazgo arroja luz sobre cómo llegaron aquí algunos de los elementos pesados ​​que existen en la Tierra, un misterio que solo el cosmos podría resolver.

“Esta es la punta del iceberg”, dice Bernall.

«Entre las cosas en las que piensa nuestro grupo está cómo este tipo de compuestos podrían haber llegado a la Tierra primitiva y los orígenes de los elementos en las estrellas», dijo Tom Zega, Profesor Asociado del Laboratorio Lunar y Planetario de la Universidad de Arizona, y coautor del estudio, cuenta a Inverse . “Es parte de nuestro trabajo pensar en cómo se originaron estas cosas”.

Poco sabían los científicos en 1985 que estos extraños cúmulos de carbono habían estado flotando en el espacio desde el universo primitivo.

“La naturaleza está haciendo muchas cosas por las que no le damos crédito”, dice Zega.

¿Para qué se pueden usar las buckybolas?

La estabilidad y la fuerza de las Buckybolas tienen entusiasmados a los científicos de materiales. De hecho, las bolas de Bucky y las estructuras hechas con ellas podrían algún día reemplazar al silicio, el elemento del que dependen las computadoras y otros dispositivos electrónicos.

También se pueden usar para fabricar recubrimientos ultraduros, una propiedad que podría hacerlos útiles para desarrollar nanotecnología. Si las bolas de bucky se pueden convertir en una cápsula diminuta adecuada, por ejemplo, entonces teóricamente podría usarse para administrar medicamentos a las células de manera más eficiente, aunque existe evidencia contradictoria sobre cuán seguros serían tales nanomedicamentos, a pesar de su efectividad, para los humanos.

Hasta ahora, la bola de Bucky no ha dejado su estatus de molécula química icónica para convertirse en un producto o material igualmente icónico de la misma manera que lo ha hecho, por ejemplo, la molécula de carbono, el grafeno. Pero a juzgar por su historia, parece probable que la buckybola continúe desafiando las expectativas, y tal vez incluso revolucionando la ciencia.

Fuente: Inverse.

Artículo original:Mystery of the universe’s weirdest molecule finally solved.’ Passant Rabie. Noviembre 15, 2019.

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Crédito: NASA y The Hubble Heritage Team (STScI/AURA).

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El equipo simuló el entorno de las estrellas moribundas y observó la formación de buckybolas (átomos de carbono unidos a otros tres átomos de carbono por enlaces covalentes) y nanotubos de carbono (láminas enrolladas de átomos de carbono de una sola capa). Los hallazgos indican que las bolas de Bucky y los nanotubos de carbono pueden formarse cuando el polvo de carburo de silicio, que se sabe que está cerca de las estrellas moribundas, libera carbono en reacción al calor intenso, las ondas de choque y las partículas de alta energía.

«Sabemos por observaciones infrarrojas que las bolas de Bucky pueblan el medio interestelar», dijo Jacob Bernal, quien dirigió la investigación. «El gran problema ha sido explicar cómo estas moléculas de carbono complejas y masivas podrían formarse en un entorno saturado con hidrógeno, que es lo que normalmente hay alrededor de una estrella moribunda».

Reorganizar la estructura del grafeno (una lámina de átomos de carbono de una sola capa) podría crear buckyballs y nanotubos. Sobre esa base, el equipo calentó muestras de carburo de silicio a temperaturas que imitarían el aura de una estrella moribunda y observó la formación de nanotubos.

Nanoestructuras formadas exclusivamente de átomos de Carbono. Tomado del artículo: Polybenzoxazine-CNT Nanocomposites‘, Riwei Xu et al., 2011.

«Nos sorprendió que pudiéramos hacer estas estructuras extraordinarias», dijo Bernal. «Químicamente, nuestros nanotubos son muy simples, pero son extremadamente hermosos».

Las buckybolas son las moléculas más grandes que se conocen actualmente en el espacio interestelar. Ahora se sabe que las bolas de Bucky que contienen de 60 a 70 átomos de carbono son comunes.

«Sabemos que la materia prima está ahí, y sabemos que las condiciones son muy parecidas a las que verías cerca de la envoltura de una estrella moribunda», dijo la coautora del estudio, Lucy Ziurys. «Las ondas de choque atraviesan la envoltura y se ha demostrado que las condiciones de temperatura y presión existen en el espacio. También vemos buckybolas en las nebulosas planetarias; en otras palabras, vemos los productos iniciales y finales que esperaría en nuestros experimentos.»

El artículo original es:

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