Es comporten els ful·lerens com nanogàbies de Faraday?

Una gàbia de Faraday és un contenidor fabricat amb un material conductor, com ara malla de filferro o plaques metàl·liques, que protegeix allò que tanca dels camps elèctrics externs. La presència del material conductor provoca que els camps elèctrics exteriors s’anul·lin a l’interior de la gàbia. Com el material és conductor, la presència de un camp elèctric extern provoca el moviment de les seves càrregues lliures. Aquest moviment crea una nova distribució de càrrega que al seu torn genera un nou camp elèctric, de manera que el camp elèctric resultant és la suma del camp exterior i del camp creat per la distribució de càrregues del conductor. El moviment de les càrregues s’atura quan el camp elèctric al conductor és nul. D’aquesta manera el camp elèctric exterior queda anul·lat a la superfície del conductor, quedant l’espai interior aïllat de la influència del camp exterior (figura 1a). Aquest fenomen va ser observat per Faraday el 1836 i serveix per protegir equips electrònics delicats contra descàrregues electroestàtiques. Els fuselatges d'un avió o del cotxe actuen també com gàbies Faraday per als seus ocupants, protegint-los dels llamps. Per altre costat, si tenim un camp elèctric a l’interior de la gàbia (per exemple, creat per una càrrega elèctrica, figura 1b), aquest es propaga cap a l’exterior amb la mateixa intensitat que es propagaria sense la presència de la gàbia.

Figura 1. Resposta d’una gàbia de Faraday a un camp elèctric (a) extern i (b) intern

Els ful·lerens són compostos que tenen una forma d’esfera o el·lipsoide i que estan formats exclusivament per àtoms de carboni. Van ser descoberts per Kroto, Smalley i Curl el 1985 i el representant més conegut d’aquesta família és el C₆₀. L’estructura d’un C₆₀ és la d’una figura icosaèdrica truncada constituïda per 20 hexàgons i 12 pentàgons (com una pilota de futbol), amb un àtom de carboni en cada una de les arestes. El C₆₀ té dos tipus d’enllaços: el [6,6] que és un enllaç que uneix dos anells de sis membres i el [5,6] que uneix un anell de sis i un de cinc membres (figura 2).

Figura 2. De color vermell, els dos enllaços diferents en el C₆₀

Una de les reaccions més característiques dels ful·lerens és la reacció de Diels-Alder, que és una reacció de cicloaddició entre un diè (per exemple el butadiè o el ciclopentadiè) i un dienòfil (en aquest cas el ful·lerè). Aquesta reacció es produeix únicament en l’enllaç [6,6] del C₆₀, que és l’enllaç més curt dels dos i amb més caràcter de doble enllaç (figura 2).

Els ful·lerens que tenen àtoms o molècules en el seu interior reben el nom de ful·lerens endoèdrics (EF) i en el cas més comú, on l’espècie encapsulada és una espècie metàl·lica s’anomenen metal·loful·lerens endoèdrics (EMF). Un exemple és el Li⁺@C₆₀, on el símbol @ indica que la caixa ful·lerènica de C₆₀ conté un Li⁺ en el seu interior. La presència del catió de liti a l’interior de la caixa modifica la reactivitat del C₆₀. Matsuo i col·laboradors han trobat recentment que les reaccions de cicloaddició de Diels-Alder entre el ciclopentadiè o el 1,3-ciclohexadiè i el Li⁺@C₆₀ són significativament més ràpides que les dels processos anàlegs amb el C₆₀ buit (figura 3). El camp elèctric creat per la càrrega del Li⁺ facilita la transferència de càrrega del diè (ciclopentadiè a la figura 3) al C₆₀, cosa que facilita la reacció.

Figura 3. L’estat de transició en les reaccions de cicloaddició del ciclopentadiè a l’enllaç [6,6] del C₆₀ i del Li⁺@C₆₀. El Li⁺ està pintat de color lila. Les distàncies venen donades en Å

Dins l’àmplia família dels nanomaterials de carboni a part dels ful·lerens, ens trobem també, entre d’altres, amb les nanocebes. Aquest tipus de nanoestructura es caracteritza per estar constituïda per diverses capes concèntriques de ful·lerens. El cas més simple de nanoceba que es coneix és el C₆₀@C₂₄₀, és a dir, un ful·lerè de C₆₀ dins d’un de C₂₄₀ (figura 4). Recentment, un treball de l’Institut de Química Computacional i Catàlisi de la Universitat de Girona ha estudiat la reactivitat en reaccions de Diels-Alder del C₆₀, C₂₄₀, C₆₀@C₂₄₀ i de totes aquestes espècies amb un Li⁺ encapsulat. Quan s’estudia una cicloaddició de Diels-Alder al C₆₀@C₂₄₀ es troba que la reactivitat del C₆₀@C₂₄₀ és pràcticament idèntica que la del C₂₄₀ buit. És a dir, la presència del C₆₀ en el C₆₀@C₂₄₀ no afecta la reactivitat del ful·lerè extern, C₂₄₀. Per altre costat, quan es compara la reactivitat del Li⁺@C₂₄₀ amb la del C₂₄₀ buit es troba que igual que en el cas del C₆₀, el Li⁺ accelera la reacció i, per tant, el Li⁺@C₂₄₀ és més reactiu que el C₂₄₀ buit. En el cas del Li⁺@C₆₀@C₂₄₀, la cicloaddició de Diels-Alder també està afavorida per la presència del Li⁺ quan la comparem amb la del C₆₀@C₂₄₀, però menys que en el cas del Li⁺@C₂₄₀ respecte al C₂₄₀. Finalment, quan es comparen el Li⁺@C₂₄₀ i el Li⁺@C₆₀@C₂₄₀, els resultats mostren que el Li⁺@C₂₄₀ és més reactiu que el Li⁺@C₆₀@C₂₄₀. És a dir, que el C₆₀ en el Li⁺@C₆₀@C₂₄₀ apantalla (disminueix) parcialment l'efecte del camp elèctric creat pel Li⁺ i el seu efecte, que encara que continua sent important, és menor.

Figura 4. La nanoceba C₆₀@C₂₄₀. El C₆₀ de color oliva i el C₂₄₀ de color gris

Si el C₆₀ es comportés com una gàbia de Faraday perfecta, la reactivitat del sistema Li⁺@C₆₀@C₂₄₀ seria la mateixa que la del Li⁺@C₂₄₀ perquè el camp elèctric que notaria el C₂₄₀ seria el mateix en el Li⁺@C₂₄₀ que en el Li⁺@C₆₀@C₂₄₀. Això ens porta a la conclusió que el C₆₀ apantalla parcialment el camp elèctric creat pel Li⁺ i, per tant, no es comporta com una nanogàbia de Faraday perfecta.