Buckminsterfullerènes
Durant la période 1985-90, Kroto, en collaboration avec des collègues de l’Université du Sussex, à Brighton, en Angleterre, a utilisé des techniques de spectroscopie à micro-ondes en laboratoire pour analyser les spectres des chaînes de carbone. Ces mesures ont ensuite conduit à la détection, par radioastronomie, de molécules en chaîne composées de 5 à 11 atomes de carbone dans les nuages de gaz interstellaires et dans l’atmosphère des étoiles géantes rouges riches en carbone. Lors d’une visite à l’université Rice, à Houston, au Texas, en 1984, Curl, une autorité en matière de spectroscopie micro-ondes et infrarouge, a suggéré à Kroto de voir un ingénieux appareil à faisceau groupé laser-supersonique mis au point par Smalley. L’appareil pouvait vaporiser n’importe quel matériau en un plasma d’atomes, puis être utilisé pour étudier les amas résultants (agrégats de dizaines à plusieurs dizaines d’atomes). Au cours de cette visite, Kroto s’est rendu compte que cette technique pouvait être utilisée pour simuler les conditions chimiques de l’atmosphère des étoiles carbonées et fournir ainsi des preuves irréfutables de son hypothèse selon laquelle les chaînes proviennent des étoiles. Lors d’une série d’expériences de 11 jours, désormais célèbres, menées en septembre 1985 à la Rice University par Kroto, Smalley et Curl et leurs étudiants collaborateurs James Heath, Yuan Liu et Sean O’Brien, l’appareil de Smalley a été utilisé pour simuler la chimie de l’atmosphère des étoiles géantes en faisant tourner le laser de vaporisation sur du graphite. L’étude a non seulement confirmé que des chaînes de carbone étaient produites, mais a également montré, par un heureux hasard, qu’une espèce de carbone inconnue jusqu’alors, contenant 60 atomes, s’est formée spontanément en relativement grande abondance. Les tentatives d’explication de la remarquable stabilité de l’amas de C60 ont conduit les scientifiques à la conclusion que l’amas devait être une cage fermée sphéroïdale en forme d’icosaèdre tronqué – un polygone à 60 sommets et 32 faces, dont 12 pentagones et 20 hexagones. Ils ont choisi le nom imaginatif de buckminsterfullerène pour l’amas en l’honneur du concepteur-inventeur des dômes géodésiques dont les idées avaient influencé leur conjecture de structure.
De 1985 à 1990, une série d’études ont indiqué que le C60, et aussi le C70, étaient en effet exceptionnellement stables et ont fourni des preuves convaincantes de la proposition de structure en cage. En outre, on a obtenu des preuves de l’existence d’autres espèces métastables plus petites, comme le C28, le C36 et le C50, et des preuves expérimentales ont été fournies pour des complexes « endoédriques », dans lesquels un atome était piégé à l’intérieur de la cage. Des expériences ont montré que la taille d’un atome encapsulé déterminait la taille de la plus petite cage environnante possible. En 1990, les physiciens Donald R. Huffman (États-Unis) et Wolfgang Krätschmer (Allemagne) ont annoncé une technique simple pour produire des quantités macroscopiques de fullerènes, en utilisant un arc électrique entre deux tiges de graphite dans une atmosphère d’hélium pour vaporiser le carbone. Les vapeurs condensées qui en résultent, une fois dissoutes dans des solvants organiques, donnent des cristaux de C60. Les fullerènes étant désormais disponibles en quantités exploitables, la recherche sur ces espèces s’est développée de façon remarquable, et le domaine de la chimie des fullerènes est né.
La molécule de C60 subit un large éventail de réactions chimiques inédites. Elle accepte et donne facilement des électrons, un comportement qui suggère des applications possibles dans les batteries et les dispositifs électroniques avancés. La molécule ajoute facilement des atomes d’hydrogène et d’éléments halogènes. Les atomes d’halogène peuvent être remplacés par d’autres groupes, tels que le phényle (un hydrocarbure annulaire de formule C6H5 dérivé du benzène), ouvrant ainsi des voies utiles vers une large gamme de nouveaux dérivés du fullerène. Certains de ces dérivés présentent un comportement de matériaux avancés. Les composés cristallins de C60 avec des métaux alcalins et alcalino-terreux sont particulièrement importants ; ces composés sont les seuls systèmes moléculaires à présenter une supraconductivité à des températures relativement élevées, supérieures à 19 K. La supraconductivité est observée dans la plage de 19 à 40 K, équivalente à -254 à -233 °C ou -425 à -387 °F.
Particulièrement intéressantes dans la chimie du fullerène sont les espèces dites endoédriques, dans lesquelles un atome de métal (auquel on donne la désignation générique M) est physiquement piégé à l’intérieur d’une cage de fullerène. Les composés qui en résultent (désignés par la formule M@C60) ont été largement étudiés. Les métaux alcalins et alcalino-terreux ainsi que les premiers lanthanoïdes peuvent être piégés en vaporisant des disques ou des tiges de graphite imprégnés du métal choisi. L’hélium (He) peut également être piégé en chauffant le C60 dans de la vapeur d’hélium sous pression. De minuscules échantillons de He@C60 présentant des rapports isotopiques inhabituels ont été trouvés sur certains sites géologiques, et des échantillons également trouvés dans des météorites peuvent fournir des informations sur l’origine des corps dans lesquels ils ont été trouvés.