Buckminsterfullerenos
Durante el período 1985-90, Kroto, en colaboración con sus colegas de la Universidad de Sussex, en Brighton (Inglaterra), utilizó técnicas de espectroscopia de microondas de laboratorio para analizar los espectros de las cadenas de carbono. Estas mediciones condujeron posteriormente a la detección, mediante radioastronomía, de moléculas en forma de cadena formadas por entre 5 y 11 átomos de carbono en las nubes de gas interestelar y en las atmósferas de las estrellas gigantes rojas ricas en carbono. En una visita a la Universidad de Rice, en Houston (Texas), en 1984, Curl, una autoridad en espectroscopia de microondas e infrarrojos, sugirió a Kroto que viera un ingenioso aparato de rayos láser supersónicos desarrollado por Smalley. El aparato podía vaporizar cualquier material en un plasma de átomos y luego utilizarse para estudiar los cúmulos resultantes (agregados de decenas a muchas decenas de átomos). Durante la visita, Kroto se dio cuenta de que la técnica podría utilizarse para simular las condiciones químicas de la atmósfera de las estrellas de carbono y, de este modo, aportar pruebas convincentes de su conjetura de que las cadenas se originaron en las estrellas. En una serie de experimentos de 11 días, ahora famosos, llevados a cabo en septiembre de 1985 en la Universidad de Rice por Kroto, Smalley y Curl y sus estudiantes colaboradores James Heath, Yuan Liu y Sean O’Brien, se utilizó el aparato de Smalley para simular la química en la atmósfera de las estrellas gigantes girando el láser de vaporización sobre el grafito. El estudio no sólo confirmó que se producían cadenas de carbono, sino que también demostró, por casualidad, que una especie de carbono hasta ahora desconocida que contenía 60 átomos se formaba espontáneamente en una abundancia relativamente alta. Los intentos de explicar la notable estabilidad del cúmulo de C60 llevaron a los científicos a la conclusión de que el cúmulo debía ser una jaula esferoidal cerrada en forma de icosaedro truncado, un polígono con 60 vértices y 32 caras, 12 de las cuales son pentágonos y 20 hexágonos. Eligieron el imaginativo nombre de buckminsterfullereno para el cúmulo en honor al diseñador-inventor de las cúpulas geodésicas, cuyas ideas habían influido en su conjetura sobre la estructura.
De 1985 a 1990, una serie de estudios indicaron que el C60, y también el C70, eran efectivamente excepcionalmente estables y proporcionaron pruebas convincentes de la propuesta de la estructura de jaula. Además, se obtuvieron pruebas de la existencia de otras especies metaestables más pequeñas, como el C28, el C36 y el C50, y se aportaron pruebas experimentales de complejos «endoédricos», en los que un átomo quedaba atrapado dentro de la jaula. Los experimentos demostraron que el tamaño de un átomo encapsulado determinaba el tamaño de la jaula circundante más pequeña posible. En 1990, los físicos Donald R. Huffman, de Estados Unidos, y Wolfgang Krätschmer, de Alemania, anunciaron una técnica sencilla para producir cantidades macroscópicas de fullerenos, utilizando un arco eléctrico entre dos barras de grafito en una atmósfera de helio para vaporizar el carbono. Los vapores condensados resultantes, cuando se disuelven en disolventes orgánicos, dan lugar a cristales de C60. Con los fullerenos ahora disponibles en cantidades factibles, la investigación sobre estas especies se expandió a un grado notable, y nació el campo de la química del fullereno.
La molécula C60 se somete a una amplia gama de novedosas reacciones químicas. Acepta y dona electrones con facilidad, un comportamiento que sugiere posibles aplicaciones en baterías y dispositivos electrónicos avanzados. La molécula añade fácilmente átomos de hidrógeno y de elementos halógenos. Los átomos de halógeno pueden sustituirse por otros grupos, como el fenilo (un hidrocarburo en forma de anillo con la fórmula C6H5 que se deriva del benceno), abriendo así rutas útiles para una amplia gama de nuevos derivados del fullereno. Algunos de estos derivados presentan un comportamiento de materiales avanzado. Especialmente importantes son los compuestos cristalinos de C60 con metales alcalinos y alcalinotérreos; estos compuestos son los únicos sistemas moleculares que presentan superconductividad a temperaturas relativamente altas, por encima de los 19 K. La superconductividad se observa en el rango de 19 a 40 K, lo que equivale a entre -254 y -233 °C o entre -425 y -387 °F.
Particularmente interesantes en la química de los fullerenos son las denominadas especies endoédricas, en las que un átomo de metal (al que se le da la designación genérica de M) queda atrapado físicamente dentro de una jaula de fullerenos. Los compuestos resultantes (a los que se asignan las fórmulas M@C60) se han estudiado ampliamente. Los metales alcalinos y alcalinotérreos, así como los primeros lantanoides, pueden ser atrapados mediante la vaporización de discos o varillas de grafito impregnados con el metal seleccionado. El helio (He) también se puede atrapar calentando el C60 en vapor de helio a presión. En algunos yacimientos geológicos se han encontrado muestras minúsculas de He@C60 con relaciones isotópicas inusuales, y las muestras encontradas también en meteoritos pueden aportar información sobre el origen de los cuerpos en los que se encontraron.