El carbono es un elemento bastante abundante. Es la base de la vida en la Tierra, y viene en una variedad de formas. Su estructura química única hace que se una fácilmente con otros átomos para formar moléculas, ya sea con otros elementos o consigo mismo.
Una de esas formas, los ciclocarbonos, forman un anillo perfecto. Han sido objeto de burlas en el laboratorio antes, pero solo en estados gaseosos que desaparecieron rápidamente. Potencialmente podrían tener algunas propiedades interesantes si pudiéramos encontrar una manera de trabajar con ellos. Pero los ciclocarbonos son complicados. Son realmente volátiles, tan reactivos, de hecho, que estudiarlos ha resultado ser una tontería.
Pero la investigación publicada en Ciencia hoy cambia eso. Por primera vez, un ciclocarbono, conocido como ciclo[18]carbono, o 18 carbonos, se creó en el laboratorio en forma sólida, y todo se redujo a la manipulación del carbono a nivel atómico.
El acertijo de carbono
Primero, los investigadores de IBM Research y Oxford tomaron una molécula de 24 átomos de carbono unida con seis átomos de oxígeno, colocándola en sodio en una superficie de cobre que se mantuvo a unos pocos grados por encima del cero absoluto. Eso hizo que emitiera los átomos de monóxido de carbono uno por uno hasta que quedaran 18 átomos de carbono, cada uno interconectado y compartiendo capas de electrones.
Y todo esto fue capturado por un microscopio electrónico, lo que significa que los investigadores realmente lo vieron en acción.
Inicialmente, el equipo había pensado en tratar de organizarlo átomo por átomo, una capacidad que solo ha llegado en los últimos años. Pero no pudieron llegar a los precursores correctos para hacer esto, llegando al método utilizado. Anteriormente, las moléculas unidas carbono-oxígeno habían sido sugeridas como un posible método de síntesis, que se remonta al menos 30 años. Ayudó a cumplir una búsqueda de décadas para sintetizar un ciclocarbono.
"Están construidos con átomos de carbono" desnudos "que además se doblan de su geometría lineal óptima", dice Przemyslaw Gawel, de la Universidad de Oxford, autor del artículo. "Por lo tanto, nunca podrían estabilizarse lo suficiente como para caracterizarlos claramente en el experimento".
Nancy Goroff, profesora de química de la Universidad Stony Brook, la calificó como una "hermosa culminación del trabajo", permitiendo la manipulación de los ciclocarbonos, que habían sido detectados previamente en pequeñas cantidades. "En los estudios de aislamiento de matriz en la década de 1990, pudimos demostrar que los óxidos de carbono pierden monóxido de carbono cuando se exponen a la luz de alta intensidad a bajas temperaturas, pero no pudimos obtener imágenes de los ciclocarbonos resultantes", dijo en un comunicado enviado a reporteros
Investigación de IBM
Descomponiendo el carbono
El carbono, como sexto elemento, tiene seis electrones, dos en una capa interna y cuatro en una capa externa. Esa capa puede acomodar hasta 8 electrones, por lo que hay mucho espacio para que los átomos de carbono se unan. Esto es parte de por qué produce tan fácilmente otras moléculas, pero también por qué algunas formas, incluida la mayoría de los ciclocarbonos, son inestables. Son propensos a crear nuevos compuestos o reaccionar a otras formas de carbono.
Debido a esta reactividad, los investigadores todavía están descubriendo qué pueden hacer con los ciclocarbonos ahora que los han sintetizado con éxito. El equipo admite que es temprano en el proceso tener un uso inmediato, pero en este momento están pensando que pueden usar la reactividad de los químicos para su ventaja. IBM Research ya está manipulando átomos.
"En algún momento podríamos ser capaces de desencadenar de manera controlable tales reacciones y crear estructuras moleculares más complejas a voluntad", dice Katharina Kaiser de IBM Research y coautora del artículo.
Eso significa que, si bien los ciclocarbonos por sí solos son de corta duración, podría ser un bloque de construcción para estructuras cada vez más complejas. Los químicos podrían construir nuevas cadenas de carbono a nivel molecular; después de todo, el carbono atómicamente delgado ya está disponible en formas como nanotubos y grafeno, que tienen aplicaciones electrónicas increíbles.
Usando un anillo de carbono, los investigadores podrían construir compuestos personalizados con propiedades aún no exploradas.
El futuro de la electrónica
Y un área donde el carbono muestra mucha promesa es en futuras aplicaciones electrónicas. Otro carbono a escala atómica, como el grafeno, ha demostrado una excelente conductividad con electrones que alcanzan velocidades relativistas.
Es demasiado pronto para saber si será capaz de conducir electrones a esas velocidades, pero Leo Gross, un miembro del personal de IBM Research y coautor del artículo, dice que las pruebas iniciales son prometedoras y que los dispositivos futuros fabricados con 18 de carbono como base también podría ser bastante eficiente de energía.
Un área se pueden aplicar? Redes neuronales físicas, que potenciarían los "cerebros" de inteligencia artificial en habilidades complejas de toma de decisiones al modelar el resultado de una serie de soluciones a diversos problemas. La mayoría de las "redes neuronales" actuales son simulaciones de redes neuronales físicas que se basan en una serie de algoritmos. Pero los investigadores piensan que podrían usarlo para modelar físicamente las neuronas, una idea que se remonta a los inicios de la investigación de inteligencia artificial.
Las redes neuronales, ya sean físicas o virtuales, dependen de procesos superpuestos conectados entre sí. Para trabajar en el mismo problema, necesitan poder sacar conclusiones rápidamente basadas en otros procesos interconectados, al igual que nuestras propias acciones a lo largo del día son un agregado complejo de decisiones simples.
La mini electrónica construida con componentes de ciclocarbono podría conectarse físicamente entre sí a nivel atómico: pequeñas neuronas de carbono que crean un verdadero cerebro artificial.
"Estamos buscando dispositivos que puedan tener una gran cantidad de conexiones entre sí y en los que se pueda ajustar la fuerza de estas conexiones", dice Leo Gross, miembro del personal de IBM Research y coautor del artículo. Este tipo de dispositivo imita la red neuronal de nuestro propio cerebro.
"Además, los dispositivos deberían ser extremadamente eficientes, como lo es nuestro cerebro".
Pero eso se está adelantando un poco. Después de todo, lo acaban de aislar por primera vez. Ahora pueden comenzar a probar lo que realmente puede hacer.
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