Ruta electroquímica permite sintetizar fulerenos gigantes con costo e impacto ambiental menor

Investigadores de la Universidad de São Paulo y de la Sapienza Università di Roma obtuvieron el material sin necesidad de altas temperaturas. El producto tiene potencial para múltiples aplicaciones, desde la electrónica hasta los cosméticos

Por José Tadeu Arantes  |  Agência FAPESP – Un estudio realizado por investigadores de la Universidad de São Paulo (USP), en Brasil, y de la Università degli Studi di Roma “La Sapienza”, en Italia, logró la síntesis de fulerenos y partículas esféricas huecas de grafeno utilizando únicamente grafito natural, etanol, agua e hidróxido de sodio en condiciones ambientales. La investigación –publicada en la revista Diamond and Related Materials– demostró la viabilidad de producir, por vía electroquímica, estructuras que hasta ahora requerían temperaturas elevadísimas.

“Nuestro trabajo indica que es posible obtener fulerenos, incluidos los llamados fulerenos gigantes, con hasta 190 átomos de carbono mediante un proceso electroquímico simple, sin catalizadores ni altas temperaturas”, afirma el investigador de la USP José Mauricio Rosolen, profesor del Departamento de Química de la Facultad de Filosofía, Ciencias y Letras de Ribeirão Preto (FFCLRP-USP) y coordinador del estudio. “Este método abre camino a nuevas formas de síntesis orgánica y aplicaciones tecnológicas aún inexploradas”, anticipa el investigador.

Los fulerenos son moléculas esféricas compuestas íntegramente por átomos de carbono, como el célebre C₆₀, también conocido como “buckminsterfulereno”, ya que las esferas de carbono presentan la misma configuración que el domo geodésico creado por el diseñador, arquitecto e inventor estadounidense Buckminster Fuller (1895-1983).

Desde su descubrimiento en 1985, estas estructuras han sido estudiadas por sus propiedades electrónicas y estructurales únicas. En 2010, mediante observaciones realizadas con el telescopio espacial Spitzer, de la NASA, los fulerenos fueron detectados por primera vez en el espacio cósmico, específicamente en la nebulosa planetaria Tc 1, ubicada a unos 6 mil años luz de la Tierra. Sin embargo, en condiciones de laboratorio, la producción de fulerenos con más de 100 átomos de carbono –los llamados “gigantes”– seguía siendo un desafío, debido a la altísima temperatura requerida para que los átomos de carbono se organizaran en una configuración esférica: típicamente entre 3,000 °C y 4,000 °C.

En el nuevo estudio, los investigadores demostraron que la polarización anódica del grafito en una celda electroquímica induce la formación de láminas de grafeno, probablemente oxidadas, que se autoensamblan espontáneamente en fulerenos y esferas huecas. La caracterización del producto final se realizó mediante microscopía electrónica de barrido (SEM), microscopía de fuerza atómica (AFM), microscopía electrónica de transmisión de alta resolución (HRTEM), espectrometría de masas (MALDI-TOF) y espectroscopía ultravioleta-visible (UV-Vis).

“Observamos cúmulos de partículas esféricas de diversos tamaños, desde estructuras similares a burbujas de jabón de 10 nanómetros hasta grandes esferas deformables de hasta 320 nanómetros atrapadas entre redes de nanotubos de carbono”, afirma Rosolen.

El estudio también identificó, mediante espectrometría de masas, picos característicos de fulerenos bien conocidos (C₆₀, C₇₀) y gigantes (como C₁₄₆, C₁₆₂, C₁₇₆ y C₁₉₀). Picos sucesivos separados por aproximadamente 160 unidades indican fragmentaciones por pérdida de grupos C₁₂, lo que sugiere procesos de ensamblaje jerárquico. “La formación de las estructuras depende críticamente de la presencia de radicales hidroxilo [●OH] e iones hidroxilo [OH⁻], generados por la oxidación electroquímica del agua y el efecto del etanol. Estos radicales atacan los bordes y defectos del grafito, fragmentando las láminas y promoviendo la exfoliación del material”, explica Rosolen.

El artículo muestra que cuando la tensión eléctrica aplicada es demasiado alta (superior a 10 V), la producción de fulerenos disminuye drásticamente y pasan a predominar los nanopuntos de carbono, o quantum dots, en lugar de estructuras esféricas. Los resultados indican que el autoensamblaje del grafeno oxidado en fulerenos depende de un delicado equilibrio entre la concentración de radicales ●OH e iones OH⁻, el tipo y tamaño de las partículas de grafito utilizadas, el tiempo de polarización y la tensión eléctrica aplicada.

También se observó la presencia de grupos funcionales oxigenados en las estructuras, lo que podría facilitar futuras modificaciones químicas, según el tipo de aplicación deseada. Como todo el proceso ocurre en medio líquido, la adición de otros componentes de interés es más sencilla. “Con este trabajo, abrimos la posibilidad de producir fulerenos gigantes mediante una vía electroquímica accesible y más respetuosa con el medio ambiente”, dice Rosolen. “Aún queda mucho por comprender sobre los mecanismos de formación de estas estructuras, pero los resultados son prometedores.”

La investigación contó con apoyo de la FAPESP a través de dos proyectos (24/02535-3 y 20/08322-0).

El artículo Self-assembly graphene into fullerenes and hollow spherical graphene particles during anodic polarization of graphite puede ser accesado en: www.sciencedirect.com/science/article/abs/pii/S0925963525004364.