El descubrimiento hace 30 años de moléculas de carbono con forma de balón de fútbol llamadas buckyballs ayudó a impulsar una explosión de investigación en nanotecnología. Ahora, parece haber una nueva bola en el campo.

Investigadores de la Universidad de Brown, La Universidad de Shanxi y la Universidad de Tsinghua en China han demostrado que un grupo de 40 átomos de boro forma una jaula molecular hueca similar a una buckyball de carbono. Es la primera evidencia experimental de que existe una estructura de jaula de boro, que antes era solo una cuestión de especulación.

"Esta es la primera vez que se ha observado experimentalmente una jaula de boro, "dijo Lai-Sheng Wang, profesor de química en Brown que dirigió el equipo que hizo el descubrimiento. "Como químico, encontrar nuevas moléculas y estructuras siempre es emocionante. El hecho de que el boro tenga la capacidad de formar este tipo de estructura es muy interesante ".

Wang y sus colegas describen la molécula, que han denominado borosfera, en el diario Química de la naturaleza .

Las buckybolas de carbono están formadas por 60 átomos de carbono dispuestos en pentágonos y hexágonos para formar una esfera, como una pelota de fútbol. Su descubrimiento en 1985 fue seguido pronto por descubrimientos de otras estructuras huecas de carbono, incluidos los nanotubos de carbono. Otro famoso nanomaterial de carbono, una hoja de un átomo de espesor llamada grafeno, siguió poco después.

Después de buckyballs, Los científicos se preguntaban si otros elementos podrían formar estas extrañas estructuras huecas. Un candidato era boro, vecino del carbono en la tabla periódica. Pero debido a que el boro tiene un electrón menos que el carbono, no puede formar la misma estructura de 60 átomos que se encuentra en el buckyball. Los electrones faltantes harían que el cúmulo colapsara sobre sí mismo. Si existiera una jaula de boro, tendría que tener un número diferente de átomos.

Wang y su grupo de investigación han estado estudiando la química del boro durante años. En un artículo publicado a principios de este año, Wang y sus colegas demostraron que los grupos de 36 átomos de boro forman discos de un átomo de espesor, que se pueden unir para formar un análogo al grafeno, apodado borofeno. El trabajo preliminar de Wang sugirió que también había algo especial en los cúmulos de boro con 40 átomos. Parecían ser anormalmente estables en comparación con otros grupos de boro. Averiguar cómo se ve realmente ese cúmulo de 40 átomos requirió una combinación de trabajo experimental y modelado utilizando supercomputadoras de alta potencia.

En la computadora, Los colegas de Wang modelaron más de 10, 000 posibles arreglos de 40 átomos de boro unidos entre sí. Las simulaciones por computadora estiman no solo las formas de las estructuras, pero también estimar la energía de enlace de electrones para cada estructura, una medida de la fuerza con la que una molécula retiene sus electrones. El espectro de energías vinculantes sirve como huella digital única de cada estructura potencial.

El siguiente paso es probar las energías de enlace reales de los grupos de boro en el laboratorio para ver si coinciden con alguna de las estructuras teóricas generadas por la computadora. Para hacer eso, Wang y sus colegas utilizaron una técnica llamada espectroscopia de fotoelectrones.

Trozos de boro a granel se eliminan con un láser para crear vapor de átomos de boro. Luego, un chorro de helio congela el vapor en pequeños grupos de átomos. Los grupos de 40 átomos se aislaron por peso y luego se zapearon con un segundo láser, que saca un electrón del cúmulo. El electrón expulsado vuela por un tubo largo que Wang llama su "pista de carreras de electrones". La velocidad a la que los electrones vuelan por la pista de carreras se utiliza para determinar el espectro de energía de enlace de electrones del cúmulo:su huella dactilar estructural.

Los experimentos mostraron que los grupos de 40 átomos forman dos estructuras con espectros de unión distintos. Esos espectros resultaron coincidir perfectamente con los espectros de dos estructuras generadas por los modelos informáticos. Una era una molécula semiplana y la otra era la jaula esférica con forma de buckyball.

"El avistamiento experimental de un espectro vinculante que coincidía con nuestros modelos fue de suma importancia, "Dijo Wang." El experimento nos da estas firmas muy específicas, y esas firmas se ajustan a nuestros modelos ".

La molécula de borosfera no es tan esférica como su prima de carbono. En lugar de una serie de anillos de cinco y seis miembros formados por carbono, borospherene consta de 48 triángulos, cuatro anillos de siete lados y dos anillos de seis miembros. Varios átomos sobresalen un poco de los demás, haciendo la superficie del borosfera algo menos lisa que una buckyball.

En cuanto a los posibles usos del borosfera, es un poco pronto para decirlo Wang dice. Una posibilidad, señala, podría ser almacenamiento de hidrógeno. Debido a la deficiencia de electrones del boro, El borosfera probablemente se uniría bien con el hidrógeno. Así que las diminutas jaulas de boro podrían servir como casas seguras para las moléculas de hidrógeno.

Pero por ahora, Wang disfruta del descubrimiento.

"Para nosotros, solo para ser el primero en haber observado esto, eso es un gran problema, "Dijo Wang." Por supuesto, si resulta ser útil, sería genial, pero aún no lo sabemos. Con suerte, este hallazgo inicial estimulará un mayor interés en los grupos de boro y nuevas ideas para sintetizarlos en grandes cantidades ".