Richard Smalley: El Nobel a qui li agradaven les pilotes de futbol

No sé si Richard Smalley, químic nord-americà que just avui (6 de juny) hauria fet 75 anys, jugava a futbol o li agradaven les pilotes; el que sí que sé és que va ser un dels descobridors d'una molècula en forma de pilota de futbol però amb una grandària prop de 1.000 milions de vegades més petita: els ful·lerens.

Els seus orígens: "Jo no volia ser científic"

Richard Errett Smalley va néixer el 6 de juny del 1943, a Akron, Ohio, fill de Frank D. Smalley Jr. i Esther Rhoades. Era el més jove de la família i va ser un estudiant indiferent fins que es va trobar competint en una classe de química amb la seva germana, poc després del llançament de l'Sputnik, quan tota la nació estava atenta als progressos de la ciència.

"Abans d'això, me n'anava al llit a la nit orant per no haver de participar en una futura guerra", va dir el Dr. Smalley el 2003.

Es va graduar a la Universitat de Michigan el 1965, i es va doctorar a Princeton el 1973. Va començar a treballar a la Universitat de Rice el 1976 i es va convertir en professor al Departament de Física el gener del 1990. El 1996, el Dr. Smalley va ser nomenat director del Centre de Ciència i Tecnologia en la Nanoescala (CNST) a Rice. Entre els diferents premis que va guanyar, destaca el Premi Lawrence el 1992 i, sobretot, el premi Nobel de química el 1996, compartit amb Robert F. Curl Jr. i Sir Harold W. Kroto pel seu descobriment dels ful·lerens. El premi Nobel li va ser atorgat pel descobriment d'un nou al·lòtrop de carboni que consta de 60 àtoms de carboni en forma de pilota de futbol. La molècula es va dir buckminsterful·lerè, i se li va donar l'àlies de buckyball.

Un Nobel rodó

Smalley va començar a la dècada dels 70 a estudiar noves formes moleculars de compostos diversos. Usava un làser que vaporitzava una mostra dins d'una càmera d'acer; posteriorment, la mostra vaporitzada era arrossegada per un corrent d'heli cap a una altra càmera, on s'ionitzava i era analitzada per un espectre de masses. La tècnica era una versió sofisticada del mètode utilitzat per refredar el freó als aparells d'aire condicionat, i permetia que un gas s'expandís a grans velocitats fins a crear un quasi-buit, fet que produïa un efecte de refredament i alentia les rotacions moleculars per permetre l'anàlisi del làser. L'equip de Smalley va descobrir que podien utilitzar les pulsacions làser per volatilitzar sòlids a l'entrada de la cambra d'expansió. Això, segons Smalley, permetia el següent:

"Que per primera vegada els àtoms de qualsevol element de la taula periòdica es produïssin en fred en un feix supersònic"

En una visita al laboratori de Smalley, Harry Kroto (Universitat de Sussex) es va adonar que la tècnica podria usar-se per simular les condicions químiques en l'atmosfera dels estels de carboni i proporcionar una evidència convincent de la seva conjectura que les cadenes de carboni es van originar als estels, ja que havia observat que la pols dels estels gegants vermells conté una estranya forma de carboni en forma de raïm, i volia simular-ne l'efecte.

En una ja famosa sèrie d'onze dies d'experiments duts a terme el setembre del 1985 a la Universitat de Rice per Kroto, Smalley, Curl i els seus companys James Heath, Yuan Liu i Sean O'Brien, els científics van obtenir les estructures que buscaven... però, sorpresa, també una espècie de carboni fins llavors desconeguda que contenia 60 àtoms de carboni i que s'havia format espontàniament i en quantitat apreciable.

Després de molt de temps intentant desxifrar aquesta estructura, a Smalley li va arribar la inspiració una tarda, meditant a la cuina. "I si s'assemblen a una pilota de futbol, composta de 12 pentàgons i 20 hexàgons en forma d'esfera?", va pensar. I, efectivament, tenia raó: acabava de descobrir una nova forma del carboni. Com que l'estructura li recordava a les cúpules geodèsiques dissenyades per l'arquitecte Buckminster Fuller, va batejar les molècules amb el nom de buckminsterful·lerens, que es van traduir en el llenguatge corrent en buckyballs, com s'ha mencionat anteriorment.

Els nanobalons més famosos: els ful·lerens

L'aparició d'una nova forma de carboni en un món que solament coneixia el grafit i el diamant va emocionar els químics i va encendre una cursa mundial per comprendre les seves propietats. La família del ful·lerè també es compon de diverses formes esfèriques que van des de 20 carbonis fins a 540, i va créixer adoptant els tubs cilíndrics coneguts com a nanotubs de carboni i les seves nombroses variants. Per cert, un ful·lerè és una molècula composta per carboni que pot adoptar una forma geomètrica que recorda una esfera, un el·lipsoide, un tub (anomenat nanotub) o un anell. Els ful·lerens són similars al grafit, compost de fulles d'anells hexagonals enllaçades, però contenen anells pentagonals i de vegades heptagonals, la qual cosa impedeix que la fulla sigui plana.

El ful·lerè té característiques interessants; faré una entrada més tècnica i extensa d'aquí poc per explicar-les, però es poden resumir en la següent frase: depenent de la seva estructura, els ful·lerens exhibeixen una varietat de característiques elèctriques, químiques i de resistència magnífiques; les buckyballs, en particular, van fascinar els científics pel seu potencial de lubricació, ja que estan idealment formades per lliscar més enllà d'altres materials, i per la possibilitat de ser utilitzades com a gàbies per emmagatzemar o transportar altres químics.

Aquestes estructures van ser una sorpresa per als químics, que anteriorment només havien vist el carboni pur en forma de grafit o de diamant. Però les estructures oferien moltes oportunitats. Com que eren rodones es movien fàcilment creuant-se entre elles, i per tant resultaven ser lubrificants eficaces. A més, com que eren buides, podien emmagatzemar i traslladar altres molècules i àtoms, especialment àtoms de metalls, protegint-los del medi ambient. El 1991, els investigadors de NEC Corp, al Japó, van descobrir un ful·lerè molt més útil en el qual els àtoms de carbó estaven organitzats en forma de tubs buits, que es van denominar nanotubs de carboni, però això és una altra història que ja explicarem. Amb el temps, els nanotubs van sorgir com la forma més prometedora de ful·lerens per a la majoria de les aplicacions comercials. Vist amb perspectiva, s'entén la passió i la bogeria que van marcar els ful·lerens, perquè es tractava dels inicis de la nanotecnologia moderna i s'aventurava un futur increïble.

Pel seu descobriment, els Drs. Kroto, Curl i Smalley van compartir el premi Nobel de química el 1996; aquí en podeu veure la nota de premsa.

Smalley: una altra de les persones clau en el desenvolupament de la nanotecnologia

El Dr. Smalley estava tan entusiasmat amb el potencial comercial de la nanotecnologia com a ciència que el 2000 va ajudar a fundar Carbon Nanotechnologies i es va convertir en el president. També va esdevenir un obert defensor de la Iniciativa Nacional de Nanotecnologia, un programa de recerca finançat pel govern fundat sota el mandat del president Bill Clinton i ampliat en una inversió multimilionària sota el govern del president Bush.

"Aquests petitíssims objectes, així com la tecnologia que els crea i les manipula -la nanotecnologia-, revolucionarà les nostres indústries i les nostres vides",

va declarar davant la Cambra de Representants dels Estats Units el 1999 just quan es defensava una de les iniciatives que canviarien per sempre el desenvolupament de la nanotecnologia, la Iniciativa Nanotecnològica Nacionalational.
 

"És com una estrella de rock en els cercles tecnològics",

va dir Robert Gower, director executiu i cofundador de Carbon Nanotechnologies, en una entrevista del 2003.

Alguns dels seus col·laboradors, com William Barnett, antic president de la junta de govern de la Universitat de Rice, el recordaven amb admiració.

"Considero Rick el pare de la nanotecnologia en el sentit que ell, millor que cap altre, va expressar la fe en el seu futur i en l'impacte que tindria sobre el món, i ho va fer en una espècie de llenguatge universal que resultava comprensible i servia d'inspiració a tothom".

Smalley, un home baix i fort amb una barba incipient i un irònic sentit de l'humor, va utilitzar el seu renom com una plataforma per evangelitzar a fi d'augmentar la inversió en l'educació d'una nova generació de científics i enginyers. També va parlar sense parar a les conferències i executius de negocis sobre com la nanotecnologia, amb la seva capacitat de ràpida expansió per remodelar materials a escala molecular, podria transformar l'economia i abordar els desafiaments ambientals i energètics.

Epíleg: El cable quàntic

Amb el descobriment dels nanotubs de carboni, Smalley es va marcar un objectiu, que algun dia poguessin entrellaçar-se, formant llargs cables de transmissió molt més lleugers, més fortes i eficients que la xarxa elèctrica comuna.

"L'aigua neta és un gran exemple d'alguna cosa que depèn de l'energia. I si resols el problema de l'aigua, resols el problema del menjar".

El projecte del cable, anomenat el Cable Quàntic de Butaca, gràcies a 11 milions de dòlars donats per la National Aeronautics and Space Administration. El mateix Smalley va declarar, serà

"un cable continu de buckytubs que esperem que condueixi l'electricitat 10 vegades millor que el coure, tingui tan sols un sisè del seu pes, un coeficient zero d'expansió tèrmica i una resistència major que la de l'acer. Si tenim èxit, podrem recablejar el món... permetent un enorme increment de la capacitat de la xarxa elèctrica del país".

Al seu torn, va visionar la nanotecnologia com a clau futura per produir energia solar i altres fonts d'energia renovables que permetessis reemplaçar els combustibles fòssils...tot això fa prop de 30 anys. De nou, com Feynman, l'efecte visionari dels genis.

Més info:

https://elpais.com/diario/2005/11/04/agenda/1131058807_850215.html

Discovering the Fullerenes, Review of Modern Physics Vol. 69, Issue 3: 723-730; July 1997

Supersonic Bare Metal Cluster Beams. Technical Progress Report, March 16, 1984 – April 1, 1985

Supersonic Bare Metal Cluster Beams. Final Report, DOE Technical Report, 1997

Thermoelectric Power of Single-Walled Carbon Nanotubes, Physical Review Letters Vol. 80, Issue 5:1042-1045; February 2, 1998

Spin Splitting and Even-Odd Effects in Carbon Nanotubes, Physical Review Letters Vol. 81, Issue 3:681-684; July 20, 1998

Ultraviolet Photoelectron Spectra of Mass-selected Copper Clusters: Evolution of the 3d Band, Physical Review Letters Vol. 64, Issue 15:1785-1788; April 9, 1990