El agua, el grafeno y la química orgánica alternativa

Hace tiempo ya, que me impactaron los comentarios de un querido profesor, aún en activo, mientras en clase estudiábamos uno de los elementos químicos más misteriosos y vitales, el agua.

Evidentemente toda la clase versó sobre las excelencias de las propiedades de ésta, pero un detalle me llamó poderosamente la atención y aún continúa maravillándome. 

 Surgido de la unión del elemento más común en la naturaleza y el universo, el hidrógeno, con el más tóxico y agresivo de los elementos químicos, por su avidez en unirse a otros elementos, el oxígeno, produce las moléculas con más potencial químico de la naturaleza.

Por lo visto, las increíbles propiedades del agua se basan fundamentalmente en la disposición física y arquitectónica de los enlaces entre oxigeno e hidrogeno. Los enlaces covalentes entre los elementos que la componen le confieren unas características especiales, que hacen de esta sustancia de las más adaptables en la naturaleza. 

La bipolaridad de sus moléculas y los enlaces de hidrogeno son los que le confieren otra parte de sus cualidades, pero como ya advierte John Emsley, divulgador científico, el agua es una de las sustancias químicas más investigadas, pero sigue siendo la menos entendida. 

Evidentemente, mi atracción por esta sustancia puede estar sesgada por el hecho de que yo mismo este compuesto en parte, -entre un 65 y un 75 %-, por ella. No es de extrañar, pues, que el hidrógeno (10%) y el oxigeno (65%) sean los elementos químicos que se encuentran en mayor proporción en nuestro cuerpo. ¿Cuál es el tercero? ¡El carbono, por supuesto! con un 19,37 %. 

El carbono, que junto a los anteriores y el nitrógeno forma la base de la química orgánica, es otro de los elementos asombrosos de la naturaleza. También, aunque mucho se ha estudiado, el carbono, de número atómico seis y valencia cuatro según la tabla periódica, sigue deparando sorpresas. 

El carbono puede adoptar múltiples formas de presentación según las condiciones a que se someta en la naturaleza o artificialmente, dentro o fuera de nuestro planeta, es lo que se han denominado formas o estados alotrópicos del carbono.

Estas formas van desde uno de los minerales más blandos y base de los carbones, el grafito, hasta uno de los minerales cristalizados más duros, el diamante. 

En octubre de este año se cumplirán diez desde que Andre Geim y Konstantin Novoselov subiesen al repositorio arXiv un artículo que les valdría el premio Nobel en 2010. Se trataba de la primera vez que se obtenía un material de dos dimensiones (2D) con unas propiedades electrónicas muy particulares, el grafeno. 

Se trata de una sola capa de grafito, que alguna vez se creyó ser imposible y tiene propiedades eléctricas, térmicas y físicas extraordinarias. Puede ser producido por epitaxia (deposición química de vapor) en una superficie aislante, o por exfoliación mecánica (pelado repetido). Sus aplicaciones pueden incluir reemplazar al silicio en dispositivos electrónicos de alto rendimiento. 

El interés despertado y el uso de moda de este grafeno se pone de manifiesto en muchas de las noticias aparecidas últimamente: Investigadores de materiales de la Universidad de Vanderbilt (Tennesse, EEUU) han logrado crear un supercondensador hecho de silicio cubierto de una doble capa de grafeno que permitiría a un móvil durar semanas sin cargar. Según investigadores del Instituto de Ciencias Fotónicas (ICFO) el grafeno es capaz de convertir la luz en electricidad de una manera mucho más eficiente que los materiales conductores convencionales. Una empresa española - Graphenea - recibirá una inversión de un millón de euros aportada de manera conjunta por Repsol y el Centro para el Desarrollo Tecnológico Industrial (CDTI). Y hasta Bill Gates ha decidido invertir 100.000 dólares para crear preservativos de grafeno.

La revista de ingeniería Spectrum calculaba en junio de 2013 que habría del orden de 100 compuestos con verdaderas posibilidades de conseguirse en dos dimensiones (2D) o monocapa. 

Y más aún, un nuevo material puede revolucionar la industria, y no es el grafeno. Se llama disulfuro de renio - ReS2 - y su descubrimiento como primer semiconductor que tiene las mismas propiedades electrónicas tanto en monocapa como en multicapas abre la puerta a aplicaciones electrónicas hasta ahora reservadas a los materiales de dos dimensiones y facilita el estudio de la física bidimensional usando cristales tridimensionales fáciles de obtener. 

(Referencia: Tongay, S at el (2014) Monolayer behaviour in bulk ReS2 due to electronic and vibrational decoupling, Nature Communications, 5 Article number: 3252) 

Quizás debido a la bioquímica orgánica que nos soporta y constriñe, seguimos pensando en el carbono como el único elemento apto para soportar las estructuras moleculares de la “vida”, es la llamada tesis del chauvinismo del carbono. Pero, ¿existe una bioquímica alternativa a la del carbono?

Reproduciendo directamente de wiquipedia: “Un elemento químico básico que ha sido propuesto para un sistema bioquímico alternativo es el átomo de silicio, puesto que el silicio tiene muchas propiedades químicas similares al carbono, tiene los mismos cuatro enlaces, y está en el mismo grupo del tabla periódica, el grupo 14. La ciencia ficción ya había sido pionera en la utilización parcial de compuestos de silicio en un ser vivo. Como se describe en la autopsia del primer vector del monstruo en Alien: el 8º pasajero, de Ridley Scott, su sangre, formada por "ácido molecular", podía circular por el interior de su cuerpo sin destruir los tejidos gracias a las estructuras polisiliconadas de sus conducciones. También el empleo de estas siliconas en el recubrimiento externo le permitía sobrevivir en una amplia variedad de ambientes... incluyendo el vacío espacial.” 

Muchas más preguntas se vienen a la cabeza respecto a algo tan elemental y cotidiano como los elementos que nos componen. 

¿Se preguntaran cosas similares en el SETI?

El agua, el grafeno y la química orgánica alternativa por Jesús Almeda se distribuye bajo una Licencia Creative Commons Atribución-NoComercial-CompartirIgual 4.0 Internacional.
Basada en una obra en http://unsencilloespectador.blogspot.com.es/2014/04/el-agua-el-grafeno-y-la-quimica.html.

El Barco y Una Isla de Estabilidad.

Durante este periodo vacacional, he tenido oportunidad de dedicar buena parte del tiempo a la gratificante actividad de la lectura. Aunque no es el mejor criterio busque un libro entre las estanterías de best-sellers por el título y la sinopsis de la contraportada. Así cayó en mis manos "Más allá del hielo" de Douglas Preston y Lincoln Child.

A parte del tema curioso que trata -buscadores de meteoritos-, y final más o menos original, es de aquellos de los que engancha con su lectura. Pero lo que más me ha llamado la atención, y por ello me ha gustado leerlo, es la idea o concepto que expresa en su página 130, y que yo desconocía: la existencia de una "isla de estabilidad" en la tabla periódica de elementos químicos, más  allá del Uranio.

Transcribo directamente del libro:  - "Durante muchos años, los científicos han buscado elementos cada vez más pesados en la zona más alta de la tabla periódica. La mayoría de los que han encontrado tienen la vida muy corta: sólo duran un milmillonésimo de segundo, y luego se convierten en algún otro elemento; pero existe la teoría de que muy, muy arriba de la tabla periódica podría haber un grupo de elementos que si fueran estables, que no se descompusieran. Una isla de estabilidad. Nadie sabe qué clase de propiedades tendrían, pero serian extrañísimos y muy, muy pesados."

Tabla periódica de elementos tridimensional (Isla de estabilidad)

Intrigado por si estas afirmaciones eran ciertas o no, he consultado con San Google, y efectivamente es un término de física nuclear que describe la posibilidad de elementos con «números mágicos» particularmente estables de protones y neutrones.

Ello se basa en el modelo de capas del núcleo, cuya hipótesis es que el núcleo atómico está construido en «capas» de una forma similar a las capas de electrones en los átomos. Siendo que cuando el número de neutrones y protones llenan completamente los niveles energéticos de una determinada capa del núcleo, la energía de enlace nuclear alcanza un nivel mínimo suficiente y esta configuración será estable y tendrá una vida más longeva que los isótopos de esos compuestos  que no han completado sus capas.

Durante la última década, investigadores del Instituto de Investigación Nuclear de Dubna (Rusia) han trabajado en la creación de elementos químicos con número atómico 113, 114, 115, 116 y 118. Pero más recientemente han conseguido el elemento 117. “Para lograrlo, colisionaron en el ciclotrón de su laboratorio, calcio 48, un isótopo con 20 protones y 28 neutrones, y berkelio 249, un elemento que tiene 97 protones y 152 neutrones. La colisión permitió crear dos isótopos de un elemento con 117 protones, uno de ellos con 176 neutrones y el otro con 177.” Contrariamente a los elementos anteriores, radiactivos y de vida corta, el isótopo más pesado del elemento 117 descubierto muestra una vida media de 78 milisegundos. Y este descubrimiento en Dubna sustenta la probable existencia de esa Isla de estabilidad, y abre muy buenas perspectivas para la síntesis de nuevos materiales que quien sabe para lo que puedan servir.

En el proyecto participaron los laboratorios nacionales de Lawrence Livermore y de Oak Ridge sumado a las universidades de Vanderbilt y de Nevada (Estados Unidos) y los Institutos de Investigación para Reactores Atómicos de Dimitrovgrado, además del de Investigación Nuclear de Dubna (Rusia). –Fuente: “La hora del sapo”.

Transcribo también de otro blog –Migui– que habla de estas noticias: - “Algunos teóricos especulan con que la isla de estabilidad podría rondar el número atómico 164, lo cual es muy lejos aún, comparado con el número 120 que es donde se trabaja en la actualidad. Alcanzar las orillas de la isla requerirá un conocimiento mucho más profundo de los procesos de formación de los elementos y nuevos y más grandes aceleradores de partículas.

Es difícil saber qué uso práctico podría tener la búsqueda de elementos super pesados. Por ahora, se centran en el descubrimiento, no en la aplicación inmediata. Pese a todo, algunos elementos sintetizados previamente han tenido un beneficio social enorme. Por ejemplo, el Americio (de número atómico 95), sintetizado en 1944 es utilizado en detectores de humo y en radiografía médica e industrial.”

Cuando yo estudié Física y Química por última vez -1975- iban por el Laurencio y el Rutherfordio (Lr¹⁰³, Rf¹⁰⁴) y es agradable ver lo que se ha avanzado en tan poco tiempo.  Hoy, supongo que el más moderno Gran Colisionador de Hadrones del CERN (Organización Europea para la Investigación Nuclear) cerca de Ginebra, en la frontera franco-suiza, servirá para algo más que dar argumento al inicio a una serie de televisión de relativo éxito como “El Barco”, con las sospechas catastrofistas de crear agujeros negros.