El carboni: de l’origen de la vida a la nanociència

Ahir dimecres 20 de novembre va venir Gerard Tobías Rossell, de l’Institut de Ciència de Materials de Barcelona (ICMAB-CSIC)
per parlar-nos sobre el carboni, element present en l’origen de la vida i en la nanociència, en el trimestre dedicat a la taula periòdica.

La particular naturalesa del carboni li confereix propietats que el fan versàtil com per a ser l’element bàsic de la vida, alhora que es fa servir en les tecnologies més modernes.
El carboni és l’element substancial de la matèria viva, combinat amb altres elements com l’oxigen, l’hidrogen i el nitrogen. Es creu que la incidència de llamps, o de l’energia deguda a radiació natural en la combinació d’aquests elements en les formes més simples (metà, vapor d’aigua, amoníac i hidrogen), presents en l’atmosfera arcaica de la Terra, van donar lloc als primers components de la matèria orgànica. Com va mostrar Stanley Miller en el seu famós experiment de 1953, quan era estudiant de Harold Urey.
El carboni també és present en els combustibles fòssils, com a residus de matèria orgànica. De fet, el carboni és el segon element més comú (en pes) en el cos humà. El primer és l’oxigen i el tercer, l’hidrogen; per la composició de l’aigua, entorn el 70% en les persones.


Compostos naturals formats per carboni
Els compostos formats exclusivament per carboni que es poden trobar a la natura són els diamants i el grafit. Els diamants estan formats per àtoms de carboni enllaçats a altres quatre mitjançant enllaços tetragonals. Aquesta forma tridimensional és la que li dóna la duresa. El grafit, tot i estar format també exclusivament per carboni té unes propietats ben diferents (i també un cost d’adquisició!)

El grafit està format per làmines de carboni en les que cada àtom està enllaçat a uns altres tres, fent una estructura bidimensional. Els enllaços en el pla són forts, però entre les làmines són febles. Per això, el grafit, que el coneixem perquè forma la mina dels llapis barrejat amb argila i ceres -per això les diverses consistències- deixa el rastre quan fem pressió sobre el paper. En cada guixada deixem moltíssimes nano-làmines de grafit.

Compostos nanomètrics de carboni
Altres compostos formats per carboni i de mesures molt més petites van poder ser detectats amb l’avenç de la microscòpia electrònica, tant de transmissió, que revela l’estructura de la xarxa d’àtoms; com de rastreig, que revela la superfície de substàncies ben petites. Un gran avanç per la nanotecnologia va ser la imatge d’àtoms de xenó manipulats per IBM per escriure el seu logo. Però, què significa nano?

L’escala nanomètrica és la que refereix a mesures de l’ordre de 10 elevat a menys 9. És a dir, mil milions més petit que un metre. L’escala mil·li és el mil·límetre (les divisions més petites d’un centímetre de modista); l’escala micro és la de la cèl·lula (i el gruix d’un cabell), l’escala nano és encara mil vegades més petita. Els compostos nanomètriques exclusius de carboni més estudiats n’hi ha tres: ful·lerens, nanotubs i grafè. Totes són estructures formades per molècules de benzè, unions d’anells de sis àtoms de carboni.

Els primers compostos formats únicament per carboni que es van crear van ser els ful·lerens, van ser publicats el 1985. Són estructures estables, essent els més abundants els de seixanta àtoms de carboni, organitzats en vint hexàgons i dotze pentàgons. El seu nom per l’arquitecte Buckminster Fuller, que va crear una cúpula geodèsica.

Es van detectar en inspeccionar les restes de grafit en ser irradiat per un làser. Per la determinació de la seva estructura, i degut a la versatilitat química dels ful·lerens, ja que fins i tot poden actuar com a contenidors d’altres compostos, els seus descobridors van rebre el Premi Nobel de Química l’any 1996. Només per fer-nos càrrec de les mesures, la relació entre un ful·lerè i una pilota de d’handbol, és la mateixa que hi ha entre una pilota d’handbol i la Terra. Només per tenir noció de les
mesures.

L’estructura dels nanotubs va ser publicada per primera vegada a Nature l’any 1991, mentre buscaven de fer ful·lerens. Són hexàgons de carboni que fan una estructura tancada, que també pot ser emprada com a contenidor. El seu descobridor va ser guardonat amb el premi Príncep d’Astúries l’any 2008.


El grafè va ser el tercer nanomaterial format únicament per carboni que va atraure l’atenció dels científics. El van aconseguir separant làmines de grafit, fins que només en va quedar una del gruix d’un àtom. Ho van aconseguir separant-les amb celo. Els seus descobridors van rebre el Premi Nobel de Física el 2010.

El grafè és un bon conductor elèctric, perquè és un semimetall i té electrons deslocalitzats. És un bon conductor tèrmic. I té una bona resistència mecànica. De manera que les propietats del grafè, han fet que la Unió Europea hagi destinat mil milions d’euros a Graphene flagship, el buc insígnia de la recerca en el grafè. Amb grafè s’ha fet material esportiu, barcos, matalassos (perquè dissipa la calor). Un dels majors interessos és però poder dedicar el grafè als terminals mòbils; Samsung té centenars de patents de grafè.


La nanotecnologia del carboni en medicina
Com les estructures de carboni són bàsicament inerts i algunes són buides, ofereixen una gran versatilitat per poder ser emprats en medicina. Per exemple, per a guarir lesions medul·lars, tant els nanotubs de carboni com les estructures poroses basades en grafè poden ser implantats a la zona lesionada; amb estímuls elèctrics es pot afavorir el creixement les neurones.

Els nanotubs de carboni també poden ser emplenats amb fàrmacs, que són molt més petits. I, entre els fàrmacs hi pot haver els que tracten neoplàsies cancerígenes. Però com arribar al tumor? Les neoplàsies es caracteritzen perquè per créixer han d’estar molt irrigades; de manera que la sang hi passarà tard o d’hora. Seria com una diana passiva. S’estan buscant dianes específiques que puguin reconèixer exclusivament les lesions neoplàsiques. Com per exemple en les corones de proteïnes, que també eviten que el nanomaterial sigui considerat un cos estrany per l’organisme.

Amb nanotubs també es pot regular millor l’alliberament del fàrmac, de manera que no hi hagi una pujada forta després del moment de l’administració, sinó que els nivells en sang es mantinguin més constants. Això també fa que l’eliminació per orina sigui menor i, per tant, s’aprofiti molt més. I, d’una altra banda, també s’estudia la possible toxicitat dels nanotubs; en l’inici es va pensar que podien actuar de manera tòxica com l’asbest; però ha estat descartat perquè els que s’utilitzen en aquesta aplicació són de mesures molt més petites que la cèl·lula.

En teràpia oncològica, una altra forma de tractament es fa amb nanopartícules de vidre recobertes d’or, que són conduïdes fins a la zona crítica. Un cop en el tumor, escalfar el metall per sobre de 40ºC provoca la mort de les cèl·lules que les envolten.

L’equip d’en Gerard a l’ICMAB estudien com incorporar elements radioactius dins nanotubs per tractar lesions oncològiques. Com es podrien dirigir al punt concret, de manera que no es veiés lesionat teixit sà. Estan treballant amb un consorci de diversos centres de recerca europeus on cada un d’ells té la funció d’estudiar un dels processos: pel·lícula que recobreix el nanotub, el nanotub en ell mateix, els elements radioactius terapèutics, encertar la diana…Per descomptat, tota la recerca la fan seguint els requisits bioètics corresponents, per exemple, en el ús d’animals.

Gerard, com vas acabar estudiant nanotubs en teràpia oncològica?
Jo havia fet Químiques i m’havia doctorat en ciències dels materials, concretament química de l’estat sòlid i estructura electrònica. El 2003 vaig sentir parlar del creixement dels cristalls més petits del món a l’interior de nanotubs de carboni, aleshores una disciplina incipient. L’any següent, en acabar la tesi, vaig escriure al ponent i vaig tenir la sort que aleshores marxava un seu post-doc i vaig poder fer un post-doc amb ell a Oxford amb una beca Marie Curie. Després vaig saber que es convocava una plaça a l’ICMAB, vaig presentar el projecte de recerca, i el van acceptar. De manera que he tingut molta sort a la vida!

Web de l’equip d’en Gerard: Nanoengineering of Carbon and Inorganic Materials

Altres cafès científics
Les mesures més petites: la nanotecnologia, amb Jordi Fraxedas (12/12/2012)
Màquines de llum, amb Romain Quidant (11/06/2014)
Pesos i mesures, amb Víctor Grau (25/06/2019)

Més informació
Diamants per sempre Nació Digital (21/08/2019)
El grafè: un nou material amb noves propostes. Nació Digital (27/02/2016)
El hallazgo de Stanley Miller – REDES (17/01/2004)
Any internacional de la Taula Periòdica a Cosir i repuntejar
Pesos i mesures a Cosir i repuntejar

Imatges: viquipèdia i wikimedia commons