Buckminsterfullerene
In den Jahren 1985-90 analysierte Kroto zusammen mit Kollegen an der Universität von Sussex in Brighton, England, mit Hilfe von Mikrowellenspektroskopietechniken im Labor die Spektren von Kohlenstoffketten. Diese Messungen führten später zum Nachweis kettenförmiger Moleküle aus 5 bis 11 Kohlenstoffatomen in interstellaren Gaswolken und in den Atmosphären kohlenstoffreicher roter Riesensterne durch Radioastronomie. Bei einem Besuch an der Rice University in Houston, Texas, im Jahr 1984 schlug Curl, eine Autorität auf dem Gebiet der Mikrowellen- und Infrarotspektroskopie, vor, Kroto eine von Smalley entwickelte, geniale Laser-Supersonenstrahl-Apparatur zu zeigen. Das Gerät konnte jedes beliebige Material in ein Atomplasma verdampfen und dann zur Untersuchung der dabei entstehenden Cluster (Ansammlungen von einigen Dutzend bis vielen Dutzend Atomen) verwendet werden. Während des Besuchs erkannte Kroto, dass sich mit dieser Technik die chemischen Bedingungen in der Atmosphäre von Kohlenstoffsternen simulieren ließen und er so einen überzeugenden Beweis für seine Vermutung liefern konnte, dass die Ketten aus Sternen stammen. In einer berühmt gewordenen 11-tägigen Versuchsreihe, die Kroto, Smalley und Curl zusammen mit ihren studentischen Mitarbeitern James Heath, Yuan Liu und Sean O’Brien im September 1985 an der Rice University durchführten, wurde Smalleys Apparat zur Simulation der chemischen Bedingungen in der Atmosphäre von Riesensternen verwendet, indem der Verdampfungslaser auf Graphit gerichtet wurde. Die Studie bestätigte nicht nur, dass Kohlenstoffketten entstehen, sondern zeigte auch, dass sich eine bisher unbekannte Kohlenstoffart mit 60 Atomen spontan und in relativ großer Menge bildet. Bei dem Versuch, die bemerkenswerte Stabilität des C60-Clusters zu erklären, kamen die Wissenschaftler zu dem Schluss, dass es sich bei dem Cluster um einen kugelförmigen geschlossenen Käfig in Form eines abgestumpften Ikosaeders handeln muss – ein Polygon mit 60 Scheitelpunkten und 32 Flächen, von denen 12 Fünfecke und 20 Sechsecke sind. Sie wählten den phantasievollen Namen Buckminsterfulleren für den Cluster zu Ehren des Erfinders der geodätischen Kuppeln, dessen Ideen ihre Strukturvermutung beeinflusst hatten.
Von 1985 bis 1990 wiesen eine Reihe von Studien darauf hin, dass C60 und auch C70 in der Tat außergewöhnlich stabil waren, und lieferten überzeugende Beweise für die vorgeschlagene Käfigstruktur. Darüber hinaus wurde die Existenz anderer kleinerer metastabiler Spezies wie C28, C36 und C50 nachgewiesen, und es wurden experimentelle Beweise für „endoedrische“ Komplexe erbracht, bei denen ein Atom im Inneren des Käfigs gefangen war. Experimente zeigten, dass die Größe eines eingekapselten Atoms die Größe des kleinstmöglichen umgebenden Käfigs bestimmt. 1990 kündigten die Physiker Donald R. Huffman aus den Vereinigten Staaten und Wolfgang Krätschmer aus Deutschland eine einfache Technik zur Herstellung makroskopischer Mengen von Fullerenen an, bei der ein elektrischer Lichtbogen zwischen zwei Graphitstäben in einer Heliumatmosphäre zur Verdampfung von Kohlenstoff verwendet wird. Die dabei entstehenden kondensierten Dämpfe ergaben nach dem Auflösen in organischen Lösungsmitteln C60-Kristalle. Da Fullerene nun in brauchbaren Mengen zur Verfügung standen, weitete sich die Forschung an diesen Spezies in bemerkenswertem Maße aus, und das Gebiet der Fullerenchemie war geboren.
Das C60-Molekül durchläuft eine Vielzahl von neuartigen chemischen Reaktionen. Es nimmt bereitwillig Elektronen auf und gibt sie ab, ein Verhalten, das mögliche Anwendungen in Batterien und modernen elektronischen Geräten nahelegt. Das Molekül fügt leicht Wasserstoffatome und Halogenelemente hinzu. Die Halogenatome können durch andere Gruppen wie Phenyl (ein ringförmiger Kohlenwasserstoff mit der Formel C6H5, der sich von Benzol ableitet) ersetzt werden, wodurch sich nützliche Wege zu einer breiten Palette neuartiger Fullerenderivate eröffnen. Einige dieser Derivate weisen ein fortschrittliches Materialverhalten auf. Besonders wichtig sind kristalline Verbindungen von C60 mit Alkali- und Erdalkalimetallen; diese Verbindungen sind die einzigen molekularen Systeme, die bei relativ hohen Temperaturen oberhalb von 19 K Supraleitung zeigen. Supraleitung wird im Bereich von 19 bis 40 K beobachtet, was -254 bis -233 °C oder -425 bis -387 °F entspricht.
Besonders interessant in der Fullerenchemie sind die so genannten endohedralen Spezies, bei denen ein Metallatom (mit der allgemeinen Bezeichnung M) physisch in einem Fullerenkäfig eingeschlossen ist. Die daraus resultierenden Verbindungen (mit der Formel M@C60) wurden ausgiebig untersucht. Alkali- und Erdalkalimetalle sowie frühe Lanthanoide können durch Verdampfen von Graphitscheiben oder -stäben, die mit dem ausgewählten Metall imprägniert sind, eingefangen werden. Auch Helium (He) kann durch Erhitzen von C60 in Heliumdampf unter Druck eingefangen werden. Winzige Proben von He@C60 mit ungewöhnlichen Isotopenverhältnissen wurden an einigen geologischen Stätten gefunden, und Proben, die auch in Meteoriten gefunden wurden, können Informationen über den Ursprung der Körper liefern, in denen sie gefunden wurden.