Las moléculas más complejas del universo

Artículo publicado el 25 de enero de 2013 en IAC

Investigadores del IAC confirman la posible existencia de grandes moléculas de fullerenos en el universo, las más complejas encontradas hasta el momento.

El hallazgo, que también aporta nuevas claves para desentrañar uno de los fenómenos más enigmáticos en astrofísica, las bandas difusas interestelares, se acaba de publicar en Astronomy and Astrophysics Letters.

Investigadores del Instituto de Astrofísica de Canarias (IAC) han hallado evidencia de que la presencia de “cebollas de carbono” y otras grandes moléculas derivadas de los fullerenos (una forma de carbono) podría ser generalizada en el espacio. Se trata de las moléculas más complejas observadas hasta el momento y su hallazgo tiene importantes implicaciones para entender la físico-química circunestelar e interestelar, así como los procesos moleculares en los últimos estados de la evolución estelar.

Cebollas de carbono

Cebollas de carbono Crédito: Gabriel Pérez Díaz, Instituto de Astrofísica de Canarias (Servicio MultiMedia). Imagen original de la nebulosa NGC 7822 (José Francisco Hernández Cabrera – IAC).


El estudio, que combina observaciones astronómicas y física teórica, ha encontrado estas moléculas complejas en el entorno de dos nebulosas planetarias ricas en el fullereno más común (C60), lo que apunta a que su presencia puede ser más abundante de lo que se pensaba: “Las nebulosas planetarias [estrellas de masa baja en la etapa final de sus vidas] producen moléculas orgánicas que posteriormente expulsan al espacio, por lo que son fundamentales para comprender los procesos moleculares del medio interestelar en el que se forman estrellas y planetas y entender los procesos de formación de moléculas precursoras de la vida”, explica Aníbal García-Hernández, principal autor del artículo.

Los científicos habían especulado en el pasado con la idea de que los fullerenos, que pueden actuar como jaulas para otras moléculas y átomos, podrían haber llevado sustancias hasta la Tierra que habrían impulsado el comienzo de la vida. Las evidencias de esta teoría proceden del hecho de que los fullerenos C60 han sido encontrados en meteoritos portando gases extraterrestres. Sin embargo, “todo esto son especulaciones”, aclara García-Hernández.

El trabajo aporta también nuevas claves para entender el origen y composición de las bandas difusas interestelares (DIBs), uno de los fenómenos más enigmáticos en astrofísica. Dispersas por todo el espacio, las moléculas responsables de estas bandas atrapan parte de la luz visible emitida por las estrellas, que llega a nosotros amortiguada. Al estudiar el espectro óptico de las dos nebulosas planetarias, los investigadores encontraron que dos de las DIBs conocidas se mostraban especialmente intensas y que aparecía una nueva banda no conocida hasta el momento.

Estas observaciones concuerdan con estudios teóricos previos sobre fullerenos grandes y complejos (cebollas de carbono o fullerenos multicapa como C60@C240 y C60@C240@C540) y su hipotético comportamiento en el espacio: “estos fullerenos tan complejos no se pueden estudiar en el laboratorio con las técnicas actuales, por lo que nos hemos basado en cálculos teóricos disponibles en la literatura y los hemos combinado con las observaciones astronómicas. Y la evidencia concuerda”, explica García-Hernández. “Los fullerenos en sus diversas manifestaciones (cebollas de carbono, cúmulos de fullerenos, o incluso especies complejas formadas por fullerenos y otras moléculas como hidrocarburos o átomos) podrían tener la clave para resolver el misterio de los DIBs”, apostilla.

“El siguiente paso es caracterizar todas las DIBs de estas nebulosas planetarias, así como sintetizar y caracterizar nuevas moléculas basadas en fullerenos y compararlas con los datos astronómicos”, añade Jairo Díaz-Luis, cofirmante del estudio. “Desentrañar el secreto de las DIBs nos permitiría entender de qué está compuesto el medio interestelar en todos los rincones del Universo”, concluye.

Bandas difusas interestelares

Descubiertas hace 90 años, las bandas difusas interestelares están presentes en todas las direcciones del espacio (se conocen más de 400), son más intensas en aquellas zonas con abundante polvo interestelar y se caracterizan por atrapar parte de la luz visible emitida por las estrellas. De hecho, sabemos que existen porque, al observar el espectro lumínico visible emitido por una estrella, se detecta que ciertas longitudes de onda nos llegan amortiguadas. Los investigadores deducen entonces que algo se interpone entre la estrella y nosotros: las bandas difusas, llamadas así porque generan unas bandas de absorción características en las espectrografía de la estrella (algo así como su huella dactilar).

Los investigadores sólo pueden estudiar las DIBs y su composición de forma indirecta: suponiendo, en función de experimentos de laboratorio y cálculos teóricos, qué clase de moléculas podrían atrapar la luz de esa forma determinada. Desde hace un tiempo se sospechaba que podrían estar generadas por moléculas basadas en carbono. Las observaciones del IAC confirman esta teoría y apuntan además a una clase especial de molécula de carbono, los fullerenos complejos (cebollas de carbono o fullerenos multicapa).Los resultados se presentarán además en el próximo congreso de la Unión Astronómica Internacional sobre las bandas difusas interestelares, que se celebra en Holanda el próximo mes de mayo.


Artículo científico: “Diffuse interstellar bands in fullerene planetary nebulae: the fullerenes diffuse interstellar bands connection”, D. A. García-Hernández, J. J. Díaz-Luis. 2013, A&A, 550, L6.

Fecha Original: 25 de enero de 2013
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Comments (6)

  1. Dr. Kekuké

    Lo de llamarle fullerenos (por el ingeniero Fuller) al final ha resultado ser una ocurrencia patética xD (como todas últimamente). Aparte, Fulleren es un municipio de Alsacia xD. Dicho sea de paso, el cálculo mecanocuántico del buckminsterfullereno ya fue realizado en 1973 (!) en la URSS, correctamente, y no fue aceptado por lo de siempre (historias políticas). Supongo que este nombre tendrá que ser cambiado en el futuro porque ya empieza a ser de coña (el propio Fuller si levanta la cabeza los corre a domazos geodésicos…)

    Dicho todo lo cual, empezamos a sospechar muchos que las nubes interestelares son laboratorios químicos mucho más eficientes y complejos de lo que nunca se haya pensado. ¿Tendrán algo que ver en el origen de la vida?

  2. Interesante artículo que poco a poco, nos va desvelando secretos que el universo esconde y que, nuestros científicos con las nuevas técnicas e ingenios tecnológicos que hemos logrado construir, son capaces de ir desvelándolos para conocer, lo que la Naturaleza es.

    Pero está claro, que todo el proceso estelar evolutivo inorgánico nos condujo desde el simple gas y polvo cósmico a la formación de estrellas y nebulosas solares y mundos, la Tierra en particular, en cuyo medio ígneo procesos dinámicos dieron lugar a la formación de las estructuras de los silicatos, desplegándose con ello una enorme diversidad de composiciones, formas y colores, asistiéndose, por primera vez en la historia de la materia, a unas manifestaciones que contrastan con las que hemos mencionado en relación al proceso que comienza en las estrellas.

    Desde el punto de vista del orden es la primera vez que nos encontramos con objetos complejos en forma de moléculas de Carbono, en los que la ordenación de sus constituyentes es el rasgo más característico.

    Al mismo tiempo nos ha parecido reconocer que esos objetos, es decir, sus redes cristalinas “reales”, almacenan información (memoria) que se nos muestra muy diversa y que puede cobrar interés en ciertos casos, como el de los microcristales de arcilla, en los que, según Cairns-Smith, puede incluso llegar a transmitirse.

    ¿Quién sabe, si la vida a nuestro planeta no llegó a través de éstas moléculas de fullereno?

    Porque, ¿qué sabemos en realidad de lo que llamamos “materia inerte”? Lo único que sabemos de ella son los datos referidos a sus condiciones físicas de dureza, composición, etc; en otros aspectos ni sabemos si pueden existir otras propiedades distintas a las meramente físicas.

    ¿No os hace pensar que nosotros estemos hechos, precisamente, de lo que llamamos materia inerte? Es bien sabido de moléculas bioquímicas presentes en las Nebulosas.

    Hay que tener en cuenta que, el mundo inorgánico es sólo una parte del inmenso mundo molecular. El resto lo constituye el mundo orgánico, que es el de las moléculas que contienen carbono y otros átomos y del que quedan excluidos, por convenio y características especiales, los carbonatos, bicarbonatos y carburos metálicos, los cuales se incluyen en el mundo inorgánico. Ya son muchas decenas de moléculas encontradas en las nubes interestelares.

    El carbono no es el único átomo con capacidad para formar los citados esqueletos. Próximos al carbono en la tabla periódica, el silicio, fósforo y boro comparten con dicho átomo esa característica, si bien en un grado mucho menor. Si tengo que ser sincero, mi convicción está centrada en que, cualquier forma de vida que podamos encontrar en el Universo, estarán conformadas como las que tenemos y existieron en la Tierra, en el Carbono. Otro elemento no podría dar, tanto… ¿juego?

    Si hablamos de Los fullerenos o “bucky-balls”, nombre con el que se denomina al conjunto de distintas moléculas cerradas sobre sí mismas con formulación. El más conocido, por lo estable y abundante en la Naturaleza es el llamado C60, que está formado por 12 pentágonos y 20 exágonos, dispuestos como en un balón de futbol.

    Las aplicaciones Nanotecnológicas que se pueden derivar del uso de esta molécula están todavía en fase de estudio y son muy variadas. Sin embargo, aunque actualmente no existen aplicaciones concretas ya se han sintetizado más de mil nuevas moléculas basadas en fullereno y hay más de cien patentes internacionales registradas. El carácter rectificador de los fullerenos les hace atractivos para su uso en electrónica molecular.

    La formación de este tipo de estructuras se produce más fácilmente de lo que podemos imaginar, pues son uno de los principales integrantes de la carbonilla y se generan abundantemente en cualquier combustión. Sin embargo, a día de hoy uno de los principales problemas para su utilización es el de conseguir una síntesis controlada de fullereno. Esto requiere complicadas técnicas, tales como la vaporización del grafito o la pirolisis láser, que normalmente producen exclusivamente los fullerenos más estables.

    Recientemente se ha propuesto un nuevo método para conseguirlo basado en principios “nano”. Se trata de partir de una molécula precursora sintetizada de forma tal que sea como un fullereno abierto, con los enlaces rotos saturados por hidrógeno. Esta molécula se puede plegar sobre sí misma mediante una transformación topológica de manera que de lugar a un fullereno. Se trata de partir de una estructura plana (un recortable) para posteriormente ensamblar un objeto en tres dimensiones. Este plegado se consigue mediante un proceso des-hidrogenación catalizada por una superficie. Una vez que la molécula plana ha perdido estos hidrógenos se cierran sobre sí misma de forma expontánea formando un fullereno.

    Este proceso se ha podido seguir, entre otras técnicas, mediante imágenes de microscopía túnel in-situ. Los mecanismos existentes en el proceso se pueden entender gracias a los cálculos ab-initio que apoyan la investigación experimental.

    Esta combinación pone de manifiesto como una molécula plana de carbono sin hidrógeno se pliega expontáneamente. La belleza de este nuevo método de síntesis reside en que si se sintetizan moléculas precursoras planas con diferentes topologías se pueden conseguir moléculas cerradas de diferentes formas, tamaños e incluso que contengan átomos diferentes al Carbono. Así se ha sintetizado por primera vez la molécula C57 N3 sobre una superficie.

    Así que, el descubnrimiento que el artículo nos anuncia viene a ampliar los conocimientos que ya teníamos sobre el tema de los fullerenos que, como siempre ocurre al final, es la Naturaleza la que tiene la última palabra.

    Si el descubrimiento del C60 fue un hito importante para la Nanotecnología, el de los llamados Nanotubos de Carbono lo ha superado con creces. Los Nanotubos de Carbono, unas diez mil veces más finos que un cabello, presentan excelentes propiedades físicas y su fabricación resulta relativamente económica.

    Un cable fabricado de Nanotubos de Carbono resultaría diez veces más ligero que uno de acero con el mismo diámetro pero sería ¡cien veces más resistente! De hecho, se piensa en estos cables para ese posible ascensor al espacio.

    A estas impresionantes propiedades mecánicas se le añaden unas interesantes propiedades eléctricas, puesto que pueden ser tanto conductores como aislantes, según la topología que presenten.

    ¡La Naturaleza! ¡Qué locura! Ella es la que tiene todas las respuestas a las preguntas que podamos plantear.

  3. reneco

    Tengo entendido que las moléculas mas complejas del universo son las derivadas de la química orgánica y están en la tierra, el ADN es un ejemplo, los fullerenos son formas alotrópicas del carbono como el diamante algo simple pero bello estéticamente

    • Dr. Kekulé

      La clave está en qué escenarios son los que determinan que sean estables (que se formen) unas cosas u otras. Siempre se sospechó, y cada vez está más claro, que el diamante (esa forma alotrópica por la que los humanos matan) estaba relacionado con impactos meteoríticos, lo cierto es que los campos diamantíferos más grandes de la Tierra están efectivamente relacionados con astroblemas. También pueden formarse por procesos geológicos terrestres, pero el porcentaje parece mucho menor. Digamos que el estado natural masivo del carbono en la Tierra, no siendo formar parte del ciclo biológico, es como petróleo, es decir, un amontonamiento de hidrocarburos alifáticos y aromáticos (sí, hay más bajo carbonatos, pero ahí está oxidado y mineralizado e incorporado a la corteza).

      No parece existir escenario viable para que se formen fullerenos sobre la Tierra, primero porque no están (o no los vemos por ahora), lo cual a priori parece lógico, puesto que no tenemos ni pajolera idea de qué mecanismos dan lugar a un fullereno. Pero vamos teniendo la idea de que los terrestres no dan pie. Y, sin embargo, parece que el fullereno va a ser el estado alotrópico más natural del carbono en el universo. Habrá que esperar a ver.

      Y claro, un fullereno es tan (o más) estable que un diamante. Las propiedades de los compuestos de carbono aromáticos aún son desconocidas en gran parte (no tienen la toxicidad que tienen de forma gratuita, son como “helicópteros” de electrones π resonantes), las de los fullerenos ni las imaginamos. Pueden atrapar iones en su interior, otros fullerenos más pequeños, y las moléculas que sean realmente *grandes*, la posibilidad de confórmeros es virtualmente cuasi infinita, porque las diferencias de energía entre la forma básica y las que presenten concavidades o invaginaciones ha de ser muy pequeña. Una propiedad muy interesante (biológica) del grupo amino (el amoníaco, vaya) es “hacer de paraguas” continuamente. Ni te cuento las posibilidades de actuación de un fullereno como cuasicatalizador.

      Pero esto de momento son todo hipótesis alocadas.

      • Dr. Kekulé

        Ah, por si hay confusión, el fullereno no es aromático (todos los enlaces son σ), pero para nada es inviable fullerenos aromáticos. El ángulo se puede forzar hasta bastante y con una molécula realmente grande puede haber concatenaciones de enlaces π que entren en resonancia. Las propiedades de esto, es que ni las barruntamos. Si se producen fullerenos a manta (tanto como para llenar hasta las orejas una nube interestelar), algunos de ellos tienen que ser tan extraños como esto y más.

  4. el tema esta muy bueno e interesante la cual es muy almitratibo

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