El agua, el grafeno y la química orgánica alternativa

Hace tiempo ya, que me impactaron los comentarios de un querido profesor, aún en activo, mientras en clase estudiábamos uno de los elementos químicos más misteriosos y vitales, el agua.

Evidentemente toda la clase versó sobre las excelencias de las propiedades de ésta, pero un detalle me llamó poderosamente la atención y aún continúa maravillándome. 

 Surgido de la unión del elemento más común en la naturaleza y el universo, el hidrógeno, con el más tóxico y agresivo de los elementos químicos, por su avidez en unirse a otros elementos, el oxígeno, produce las moléculas con más potencial químico de la naturaleza.

Por lo visto, las increíbles propiedades del agua se basan fundamentalmente en la disposición física y arquitectónica de los enlaces entre oxigeno e hidrogeno. Los enlaces covalentes entre los elementos que la componen le confieren unas características especiales, que hacen de esta sustancia de las más adaptables en la naturaleza. 

La bipolaridad de sus moléculas y los enlaces de hidrogeno son los que le confieren otra parte de sus cualidades, pero como ya advierte John Emsley, divulgador científico, el agua es una de las sustancias químicas más investigadas, pero sigue siendo la menos entendida. 

Evidentemente, mi atracción por esta sustancia puede estar sesgada por el hecho de que yo mismo este compuesto en parte, -entre un 65 y un 75 %-, por ella. No es de extrañar, pues, que el hidrógeno (10%) y el oxigeno (65%) sean los elementos químicos que se encuentran en mayor proporción en nuestro cuerpo. ¿Cuál es el tercero? ¡El carbono, por supuesto! con un 19,37 %. 

El carbono, que junto a los anteriores y el nitrógeno forma la base de la química orgánica, es otro de los elementos asombrosos de la naturaleza. También, aunque mucho se ha estudiado, el carbono, de número atómico seis y valencia cuatro según la tabla periódica, sigue deparando sorpresas. 

El carbono puede adoptar múltiples formas de presentación según las condiciones a que se someta en la naturaleza o artificialmente, dentro o fuera de nuestro planeta, es lo que se han denominado formas o estados alotrópicos del carbono.

Estas formas van desde uno de los minerales más blandos y base de los carbones, el grafito, hasta uno de los minerales cristalizados más duros, el diamante. 

En octubre de este año se cumplirán diez desde que Andre Geim y Konstantin Novoselov subiesen al repositorio arXiv un artículo que les valdría el premio Nobel en 2010. Se trataba de la primera vez que se obtenía un material de dos dimensiones (2D) con unas propiedades electrónicas muy particulares, el grafeno. 

Se trata de una sola capa de grafito, que alguna vez se creyó ser imposible y tiene propiedades eléctricas, térmicas y físicas extraordinarias. Puede ser producido por epitaxia (deposición química de vapor) en una superficie aislante, o por exfoliación mecánica (pelado repetido). Sus aplicaciones pueden incluir reemplazar al silicio en dispositivos electrónicos de alto rendimiento. 

El interés despertado y el uso de moda de este grafeno se pone de manifiesto en muchas de las noticias aparecidas últimamente: Investigadores de materiales de la Universidad de Vanderbilt (Tennesse, EEUU) han logrado crear un supercondensador hecho de silicio cubierto de una doble capa de grafeno que permitiría a un móvil durar semanas sin cargar. Según investigadores del Instituto de Ciencias Fotónicas (ICFO) el grafeno es capaz de convertir la luz en electricidad de una manera mucho más eficiente que los materiales conductores convencionales. Una empresa española - Graphenea - recibirá una inversión de un millón de euros aportada de manera conjunta por Repsol y el Centro para el Desarrollo Tecnológico Industrial (CDTI). Y hasta Bill Gates ha decidido invertir 100.000 dólares para crear preservativos de grafeno.

La revista de ingeniería Spectrum calculaba en junio de 2013 que habría del orden de 100 compuestos con verdaderas posibilidades de conseguirse en dos dimensiones (2D) o monocapa. 

Y más aún, un nuevo material puede revolucionar la industria, y no es el grafeno. Se llama disulfuro de renio - ReS2 - y su descubrimiento como primer semiconductor que tiene las mismas propiedades electrónicas tanto en monocapa como en multicapas abre la puerta a aplicaciones electrónicas hasta ahora reservadas a los materiales de dos dimensiones y facilita el estudio de la física bidimensional usando cristales tridimensionales fáciles de obtener. 

(Referencia: Tongay, S at el (2014) Monolayer behaviour in bulk ReS2 due to electronic and vibrational decoupling, Nature Communications, 5 Article number: 3252) 

Quizás debido a la bioquímica orgánica que nos soporta y constriñe, seguimos pensando en el carbono como el único elemento apto para soportar las estructuras moleculares de la “vida”, es la llamada tesis del chauvinismo del carbono. Pero, ¿existe una bioquímica alternativa a la del carbono?

Reproduciendo directamente de wiquipedia: “Un elemento químico básico que ha sido propuesto para un sistema bioquímico alternativo es el átomo de silicio, puesto que el silicio tiene muchas propiedades químicas similares al carbono, tiene los mismos cuatro enlaces, y está en el mismo grupo del tabla periódica, el grupo 14. La ciencia ficción ya había sido pionera en la utilización parcial de compuestos de silicio en un ser vivo. Como se describe en la autopsia del primer vector del monstruo en Alien: el 8º pasajero, de Ridley Scott, su sangre, formada por "ácido molecular", podía circular por el interior de su cuerpo sin destruir los tejidos gracias a las estructuras polisiliconadas de sus conducciones. También el empleo de estas siliconas en el recubrimiento externo le permitía sobrevivir en una amplia variedad de ambientes... incluyendo el vacío espacial.” 

Muchas más preguntas se vienen a la cabeza respecto a algo tan elemental y cotidiano como los elementos que nos componen. 

¿Se preguntaran cosas similares en el SETI?

El agua, el grafeno y la química orgánica alternativa por Jesús Almeda se distribuye bajo una Licencia Creative Commons Atribución-NoComercial-CompartirIgual 4.0 Internacional.
Basada en una obra en http://unsencilloespectador.blogspot.com.es/2014/04/el-agua-el-grafeno-y-la-quimica.html.