Actualmente, todo lo que lleve el prefijo `nano´ por delante está de moda. La `nanotecnología´ promete mucho aunque, por el momento, no es más que una caprichosa colección de tecnologías que hacen a lo `muy chiquitito´, lo único que todas ellas tienen en común. De esta forma, algunas cosas absurdas se benefician de los éxitos de otras, particularmente en la forma de subsidios y fondos para investigación. Qué saldrá de esto, todavía está por verse. Un seguro ganador, sin embargo, han de ser los `fullerenos´.

Parte de la química estudia como se unen unos átomos con otros para producir moléculas. Se dice que los átomos tienen `manitos´ (valencias) que les permiten enlazarse unos con otros. El hidrógeno tiene una, el oxígeno dos, por eso un oxígeno puede unirse a dos hidrógenos, formando agua. El carbono tiene 4 manitos, lo que le permite unirse con dos oxígenos, de dos manos cada uno (dióxido de carbono), o con 4 hidrógenos, de una mano cada uno (metano).

Además, la mayoría de los elementos permiten combinaciones muy limitadas. Se puede formar una cadena de un hidrógeno, un oxígeno y otro hidrógeno para formar agua, pero no puede hacerse una cadena de un hidrógeno, dos oxígenos y un hidrógeno, esto no hay forma de lograrlo. No es solo la cantidad de manos, que en este caso sumarían bien, sino que algunas parecen ser manos izquierdas y otras manos derechas y no es fácil enlazar las manos que no se corresponden. Los átomos son, además, solitarios o se unen en grupos pequeños.

Obviamente, esta es una gran simplificación sobre la química, pero suficiente para resaltar el peculiar comportamiento del elemento químico más destacable, el carbono. El carbono tiene, como dijimos, cuatro manos, pero son manos ambidextras que pueden unirse casi con cualquier cosa. Además son extremadamente gregarios, pueden hacer largas cadenas o rondas. Se podría decir que hasta son promiscuos, pudiendo armar grandes formaciones de carbonos junto o no con otros muchos elementos o ellos solos. Digamos que el carbono ha estado siempre a la cabeza de la revolución sexual.

Tal es la variedad de combinaciones que puede hacer el carbono que la química se divide en inorgánica y orgánica, esta última es la que trata de los compuestos que incluyen carbono. El nombre hace pensar que estudia organismos, pero no es así, deriva del hecho que históricamente los compuestos de que trata eran los que se obtenían a partir de organismos vivos y fue, de hecho, un importante logro cuando se pudo sintetizar artificialmente un compuesto orgánico, demostrando que, desde el punto de vista de la química, la vida no es necesaria en la producción de estos elementos. Actualmente, la gran mayoría de los compuestos que trata la química orgánica son producidos artificialmente.

La geometría ha jugado un papel bastante interesante en la química orgánica. Dada la variedad de formas en que pueden formarse moléculas, ya no sólo importa la cantidad de átomos de los distintos elementos sino en qué forma están dispuestos. Se habla, por ejemplo, de moléculas que por ser imagen especular la una de la otra, como nuestras manos, se les llama a una izquierda y la otra derecha derecha. Algunas lo llevan impreso en su nombre, así tenemos la dextrosa y la levulosa, imágenes derecha e izquierda de la mismísima molécula.

¿Pero cuánta variedad puede tener el carbono solo consigo mismo? Sorprendentemente: ¡mucha! El carbón mineral más puro está compuesto de cadenas arbitrarias de átomos de carbono, cadenas largas, cortas, rectas o torcidas. Ahora, si las condiciones son las adecuadas, el carbono puede formar planchas casi planas donde cada átomo de carbono se une con tres de sus vecinos (con uno de ellos se abraza con dos de sus cuatro manos) y entonces forma grafito. Las planchas son muy fuertes, pero una sobre otra se deslizan con facilidad, de ahí que se usa como lubricante. También se usa como aislante, pues el calor o la electricidad puede recorrer cada una de las planchas, pero le es muy difícil pasar de una plancha a la otra.

Si el carbono se ordena en forma tridimensional, entonces tenemos diamante, algo que a simple vista es muy distinto del negro carbón o el gris oscuro del grafito. El carbono es totalmente transparente y si tiene algún tenue color es por impurezas y es, además, extremadamente duro, resistente al calor y a la electricidad. Es, además, muy caro pues es difícil hacerlo, ni la naturaleza ni el hombre han encontrado la forma de hacerlo con facilidad y de allí que sigue siendo escaso.

A esto se resumían las posibles combinaciones del carbono consigo mismo hasta hace unos 20 años. Vale aclarar que nadie ve nada de todo esto en concreto, todo se deduce a partir de experimentos y ensayos externos, pero hasta hace muy pocos años, nadie podía ver una molécula.

Dijimos que el grafito está compuesto de átomos de carbono dispuestos en planchas. Estas planchas, sin embargo, no son muy prolijas. Imaginemos que empezamos a hacer papel picado a partir de un periódico, rasgándolo con nuestras manos. Los pedazos resultantes son de formas caprichosas y tamaños diversos. El grafito es algo así. Como es de esperarse, las propiedades del grafito varían mucho según el tamaño promedio de las planchas y cómo están ordenadas. La posibilidad de controlar el proceso de fabricación de estas planchas puede dar lugar a materiales con muy distinto comportamiento.

Al hacer un análisis estadístico de cuántas planchas había de tantos carbonos y cuántas de tantos otros (cuando se descubrió un mecanismo para poder medirlo), llamó la atención que había una cantidad llamativamente alta de planchas de a 60 carbonos, otro pico llamativo a los 70 carbonos y otros picos menos destacables a intervalos regulares. Es como si yo estuviera tratando de hacer papel picado de 1cm de lado pero, no importa con cuánto cuidado lo haga, siempre hubiera una gran cantidad de papelitos que me salieran de exactamente 6mm de lado y un poco menos de 7 mm de lado, no aproximadamente sino exactamente.

Esto resultaba un gran misterio pues no hay nada en una plancha de carbono que haga que debiera tener una preferencia particular para quedarse con 60 ó 70 átomos. Tal como con el papel picado, si uno comienza a torturarlo, los pedacitos se rompen, se desgarran y la distribución de tamaños de los pedacitos va cambiando. Con el carbono, sin embargo, los de 60 y 70 permanecían. O sea, había algo que hacía que estas `planchas´ fueran mucho más estables, sólidas y resistentes que las otras planchas. Dado que estamos hablando de un material hecho de carbono puro, no es posible suponer la presencia de otros elementos, lo único que nos queda es la geometría.

Lo que se encontró es que con 60 carbonos se podría formar una esfera hueca, con la misma forma que las pelotas de fútbol formadas por hexágonos y pentágonos, con un carbono en la unión de cada tres parches. Geométricamente habría sido posible, pero eso no quiere decir que fuera así, se requirieron muchos otros experimentos (dado que en realidad nada de esto se puede ver directamente) para verificar que efectivamente eso es lo que ocurría.

La estructura de 70 (ya no planchas, pues evidentemente no lo eran) se formaba tal como si tomáramos una pelota, la descosemos por el ecuador y le añadimos una franja de hexágonos, 10 para ser precisos, formando algo así como esas cápsulas de medicamentos que tienen dos extremos hemisféricos y una sección central cilíndrica. Esto también explicaba las cantidades menores de `planchas´ de 80, 90 átomos y así siguiendo, pero estas en cantidades cada vez menores. La naturaleza prefiere las cosas simples y la de 60 es la más simple, las otras estructuras son cada vez más escasas cuantos más átomos contienen.

Una bola así formada es muy difícil de destruir. Mientras que una plancha de carbonos puede rasgarse a partir de cualquiera de sus bordes, con una esfera no se tiene por dónde empezar. Es como tratar de abrir un paquete de plástico, como el de un helado de palito, se puede rasgar por las costuras pero si no tuviera costuras, no habría por dónde.

A esta bola de carbono y toda su familia de bolas elongadas se las llama Buckminsterfullerenos, en honor de Richard Buckminster Fuller, un ingeniero estadounidense que inventó los domos geodésicos cuyo ejemplar más conocido es la gran esfera a la entrada del Epcot Center en DisneyWorld o la cúpula vidriada en el museo Dalí en Figueres. Como el nombre es un poco largo, se las llama también Buckyballs.

Luego se descubrió que no solo podían hacerse esferas sino toda otra gama de formas cilíndricas, por lo que a todo el conjunto se los llama fullerenos. Básicamente, los fullerenos son todas las formas en que planchas planas de carbono se pueden cerrar sobre si mismas.

Las formas cilíndricas de los fullerenos son los que se llaman nanotubos. De la misma manera que podemos enrollar una hoja de papel para hacer un tubo, una plancha de grafito se puede enrollar formando un cilindro. Supongamos que lo hiciéramos con una tela. Podemos enrollarla a lo largo de la trama, al través, en diagonal y muchos ángulos intermedios. En realidad las planchas de grafito no tienen la trama cuadrada de una tela, se parecen al alambrado de gallinero, ese en que la trama forma hexágonos, o las redes de los arcos (porterías) de fútbol como en este último mundial.

Lo curioso es que algunas propiedades del nanotubo dependen de este ángulo en que se enrolla sobre sí mismo. Con un cierto ángulo se comporta como un conductor metálico para la electricidad, en otro ángulo es un semiconductor, lo cual tiene a los diseñadores de circuitos integrados muy interesados.

Pero aparte de esta y otras propiedades exóticas que tiene, lo indudablemente cierto es que una fibra hilada a partir de nanotubos sería extremadamente resistente. Diez a veinte veces más resistente que el Kevlar, que se usa para chalecos antibala o velas para embarcaciones de competición. Mucho más resistente también que la fibra de carbono, materiales ambos que son más resistentes, en proporción al peso que cualquier metal. Lástima que las fibras sean tan cortas.

Si bien un nanotubo puede tener una longitud de miles, decenas de miles o cientos de miles de veces su diámetro, este diámetro es tan pequeño que el récord de longitud de un nanotubo está en el milímetro. Esto no sirve mucho para hilar, pero sí para usarse como agregado en materiales plásticos, cosa que se está haciendo, aunque las propiedades de tal material palidecen frente a lo que podría lograrse con nanotubos continuos.

Lo ideal sería lograr la fabricación continua de nanotubos, que se produjeran como sale la hebra de seda del gusano o el hilo de la araña. Un par de docenas de estas bocas de extrusión en un mismo circuito integrado, varias docenas de estos en una misma máquina, cada una de ellos produciendo un nanotubo continuo, el conjunto hilado en una hebra que aún así sería invisible, aunque más resistente que un alambre del mejor acero de un milímetro de diámetro. Seguramente esta hebra debería embutirse en plástico para que se pudiera ver y manipular, especialmente para no cortarse al tocarla. Todos nos hemos cortado en algún momento con el borde de una hoja de papel. Con un hilo de nanotubo, podríamos perder un dedo completo, hueso y todo, sin haber sentido el corte.

Cuando eso sea posible, quizás veamos un puente cruzando el estrecho de Gibraltar o desde la península itálica a Sicilia y muchas más estructuras que ni podemos imaginar. Santiago Calatrava, el famoso diseñador de puentes y otras modernísimas estructuras, estaría en su salsa.