CIENTÍFICOS EXPLICAN LOS NOBEL

LADRILLOS MOLECULARES

LOS ENLACES ENTRE ÁTOMOS DE CARBONO SON YA IMPRESCINDIBLES EN LA SÍNTESIS QUÍMICA MODERNA

NAZARIO MARTÍN 13/10/2010

El elemento químico carbono es bien conocido como componente fundamental en los combustibles fósiles que utilizamos, ya sea en forma de carbón o de petróleo. En este año 2010, los Premios Nobel de Física y de Química se han centrado en este elemento singular, si bien por distintas razones. El primero de ellos destaca una nueva forma de la materia, el grafeno, básicamente una lámina bidimensional formada por átomos de carbono.

Han favorecido el desarrollo de nuevos fármacos y materiales

Llama la atención que los científicos tuvieran que esperar tanto

El Nobel de Química 2010 se ha concedido a Richard F. Heck (1931), Ei-ichi Negishi (1935) y Akira Suzuki (1930) por el desarrollo de un nuevo y eficaz procedimiento para la creación de enlaces carbono-carbono. Esta metodología, denominada reacciones de acoplamiento cruzado catalizadas por paladio, ha permitido crear uniones (enlaces) entre átomos de carbono de diferentes moléculas, prácticamente inaccesibles hasta entonces.

Estas reacciones, que se empezaron a desarrollar entre los años sesenta y setenta del pasado siglo, son actualmente imprescindibles en la síntesis química moderna, habiendo sido incluidas en el arsenal de las reacciones químicas que han dado el importante salto del laboratorio a la industria. Han permitido el desarrollo de nuevos fármacos de forma más eficaz, o bien de nuevos materiales tales como cristales líquidos y polímeros avanzados y, en general, de materiales de interés para el desarrollo de la denominada electrónica molecular, cuyas expectativas nos pueden llevar a imaginar un mundo más sofisticado de, por ejemplo, casas y coches inteligentes, o de ordenadores diminutos, en un ambiente menos hostil para el ser humano y su entorno natural.

El diseño, la creación y la fabricación de estos ladrillos de construcción molecular que llevan a producir fármacos más eficaces o bien materiales avanzados con nuevas propiedades mecánicas, ópticas, magnéticas y/o electrónicas, se llevan a cabo mediante reacciones químicas que permiten unir moléculas sencillas para crear moléculas más complejas con propiedades no convencionales. Esta unión, sin embargo, no siempre es fácil de llevar a cabo y, por tanto, el químico precisa de un arsenal de reacciones químicas que le permitan crear nueva materia (la esencia misma de la química).

Los tres químicos que reciben este año el preciado galardón han desarrollado un nuevo método de crear enlaces entre átomos de carbono, es decir, entre moléculas, dotando así a la química de una de las metodologías más importantes hoy día en el arte/ciencia de la síntesis orgánica, cuyo estudio es obligado para los estudiantes de las universidades de todo el mundo.

Aunque cada premiado ha desarrollado su propia reacción (conocidas por sus respectivos nombres), todas ellas tienen, en general, un mecanismo común en lo que se refiere al uso de un compuesto organometálico (formado por una molécula orgánica y un metal mediante un enlace carbono-metal) y el uso del elemento químico paladio (Pd) como catalizador metálico, en un proceso químico complejo que supone básicamente tres etapas (adición oxidante, transmetalación y eliminación reductora).

Este mecanismo común revela la importancia que la catálisis tiene actualmente, tanto de metales de transición como el paladio utilizado en estas reacciones, como de las enzimas en procesos químicos y bioquímicos, las zeolitas en procesos básicos e industriales o, más recientemente, en la denominada organocatálisis que, probablemente, será motivo de un futuro premio Nobel. Pero, además, también pone de manifiesto el enorme potencial de la química organometálica como herramienta versátil en química, que ha experimentado un desarrollo espectacular en las últimas décadas y que cuenta en nuestro país con magníficos grupos, tanto experimentales como teóricos.

Siendo, pues, un mundo tan amplio, además de las reacciones de Heck, Suzuki o Negishi, se conocen otras con mecanismos de reacción análogos y diferentes compuestos organometálicos y/o catalizadores metálicos. Destacan otros nombres bien conocidos como Stille, Sonogashira, Kumada, Hiyama, Buchwald-Hartwig, etcétera, alguno de los cuales, como el fallecido en accidente aéreo John Kenneth Stille, serían igualmente merecedores de ser laureados con el Premio Nobel de Química.

Comparto con entusiasmo la decisión del jurado que ha otorgado esta merecida distinción a los tres galardonados. Sin embargo, recuerdo las palabras del ya fallecido Premio Nobel de Química de 1979, Herbert Charles Brown, quien en un paseo por Salamanca con motivo de la reunión Bienal de la Real Sociedad Española de Química de 1990, me confesó: "El Nobel me llegó muy tarde". Una vez más, se repite la historia y el galardón les llega tarde a los tres premiados nacidos a comienzo de los años treinta y cuyas reacciones se vienen utilizando con éxito desde hace más de 40 años.

A veces llama la atención que unos científicos deban de esperar toda la vida para que su contribución seminal a la ciencia sea oficialmente reconocida y, en otros casos, como ha sucedido con el Nobel de Física de este año, seis años sean suficientes. En cualquier caso, los químicos de todo el mundo celebramos este premio, en un año en que el elemento químico carbono, el más singular de la Tabla Periódica y el más próximo al ser humano, ha sido objeto de atención preferente en el ámbito de la ciencia. ¡Felicidades a los premiados!

UN 'EXPERIMENTO DEL VIERNES'

EL GRAFENO, UN MATERIAL PROMETEDOR

RODOLFO MIRANDA 13/10/2010

Donald Ray Huffman levantó con dificultad del sofá su cuerpo largo y nudoso y alzó su copa en el cálido aire de Creta el pasado 5 de octubre. "Brindemos por Andre y Konstantin y por este nuevo reconocimiento a la física del estado sólido". Ese atardecer estaba con Donald y Wolfgang Krätschmer en la terraza de un hotel de la isla griega festejando la concesión del Premio Nobel de Física 2010 a Andre Geim y Kostya Novoselov por su trabajo en grafeno, una nueva forma cristalina de carbono, estrictamente bidimensional. Participábamos en un congreso que celebraba el 25º aniversario del descubrimiento de otra forma de carbono, la fascinante molécula de C60, el fullereno, en el que tuve el honor de dar una conferencia sobre nuestro trabajo en grafeno.

La nueva forma de carbono se añade al fullereno y el nanotubo

Geim y Novoselov son de la antigua escuela rusa de experimentos

Lo que hacía especial ese momento es que Donald y Wolfgang, según los científicos allí reunidos, habrían sido justos merecedores del Nobel de Química, concedido por ese descubrimiento a Kroto, Curl y Smalley en 1996. Y allí estaban, sin rastro de amargura o despecho, celebrando el reconocimiento otorgado por la academia sueca a otros colegas que habían descubierto nuevas maravillas en el reino del carbono.

Se conocen dos formas cristalinas, tridimensionales, de carbono: diamante y grafito. A pesar de estar compuesto por átomos de la misma naturaleza química, sus propiedades físicas no pueden ser más diferentes. El grafito es de color negro y tan blando que se emplea como mina en los lápices. El diamante es transparente e imposible de rayar por ninguno de los materiales conocidos. A estas formas cristalinas tridimensionales se había unido en 1984 la estructura cerodimensional, el C60, idéntica a un balón de futbol, pero 100 millones de veces más pequeña. En 1991, Ijima había identificado la forma unidimensional del carbono, el nanotubo. Aislar la forma bidimensional, el grafeno y, sobre todo, explorar sus extraordinarias propiedades ha sido la contribución de Geim y Novoselov.

Geim es un físico ruso verdaderamente creativo. Dotado de un alma inquieta que le hace atropellarse al hablar y saltar de un tema de investigación a otro, es devoto de una escuela prácticamente olvidada en la física actual: la de los anticuados experimentos de cátedra en los que uno mismo, con sus manos y equipos más bien pedestres, realiza un experimento simple para ver lo que ocurre. Andre los realiza los viernes a última hora de la tarde cuando la mayor parte de sus colegas han partido rumbo al pub más cercano donde resguardarse del clima inexorable de Manchester.

Su joven colega Novoselov, también nacido y educado en Rusia, se incorporó con entusiasmo a los divertimentos vespertinos de los viernes. Su habilidad experimental y capacidad de trabajo dieron fruto al final del verano de 2004: uno de esos experimentos les permitió aislar grafeno, un cristal formado por un solo plano de átomos de carbono con simetría hexagonal, por un improbable método: exfoliar grafito pegándole repetidamente una cinta adhesiva y frotando con paciencia los copos de grafito adheridos a la cinta sobre una superficie para depositarlos en ella. Aquí apareció la suerte, ya que la superficie elegida fue un cristal de silicio oxidado que rondaba por el laboratorio y que presentaba por casualidad el espesor de óxido preciso para que el cristalito de grafeno fuese visible al microscopio óptico. Así identificaron trocitos por varios planos individuales de grafito desacoplados, que presentaban las propiedades cuánticas esperadas para un material bidimensional.

Geim y Novoselov, generosa e inteligentemente, se abrieron a las colaboraciones necesarias para demostrar que los electrones se mueven en grafeno más deprisa que en cualquier otro sólido, que es el material más flexible, más deformable, más duro y con mejor conductividad térmica. Además de mostrar sorprendentes propiedades cuánticas, con él ya se fabrican transistores que conmutan más deprisa que los existentes, contactos metálicos más transparentes para pantallas táctiles flexibles y toda una panoplia de diversas aplicaciones posibles. Esta suerte de fiebre del oro ha conducido a Geim y Novoselov al Nobel tan solo seis años después de su experimento.

Aquella noche en Creta, Wolfgang preguntó: "¿Cuál crees que será la nueva forma del carbono?", mientras Donald mascullaba: "Los fullerenos han producido más de 3.000 patentes, pero todavía no hay una sola aplicación real, ¿pasará lo mismo con el grafeno?". "Bueno, a Rutherford le dieron el Nobel por mostrar que la física atómica era interesante, no por construir una central nuclear", musité. Volvimos a brindar por Andre y Kostya.

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Rodolfo Miranda es director de IMDEA Nanociencia y catedrático de Física de la Materia Condensada en la Universidad Autónoma de Madrid