Buckminsterfullerének
Az 1985-90 közötti időszakban Kroto az angliai Brightonban, a Sussexi Egyetemen dolgozó kollégáival együtt laboratóriumi mikrohullámú spektroszkópiai technikákat használt a szénláncok spektrumának elemzésére. Ezek a mérések vezettek később a csillagközi gázfelhőkben és a szénben gazdag vörös óriáscsillagok légkörében 5-11 szénatomból álló láncszerű molekulák rádiócsillagászati módszerekkel történő kimutatásához. A texasi Houstonban található Rice Egyetemen 1984-ben tett látogatása során Curl, a mikrohullámú és infravörös spektroszkópia szaktekintélye azt javasolta Krotónak, hogy nézze meg a Smalley által kifejlesztett zseniális lézer-szuperszonikus fürtsugár-készüléket. A készülékkel bármilyen anyagot atomokból álló plazmává lehetett párologtatni, majd a keletkező klasztereket (több tíz vagy több tíz atomból álló aggregátumok) tanulmányozni. A látogatás során Kroto rájött, hogy a technikával szimulálni lehetne a széncsillagok légkörében uralkodó kémiai viszonyokat, és így meggyőző bizonyítékot szolgáltathatna arra a feltételezésére, hogy a láncok a csillagokból származnak. Egy mára híressé vált 11 napos kísérletsorozatban, amelyet 1985 szeptemberében a Rice Egyetemen Kroto, Smalley és Curl, valamint James Heath, Yuan Liu és Sean O’Brien tanítvány munkatársaik végeztek, Smalley készülékét arra használták, hogy az óriáscsillagok légkörének kémiai viszonyait szimulálják úgy, hogy a párologtató lézert grafitra fordították. A vizsgálat nemcsak azt igazolta, hogy szénláncok keletkeztek, hanem szerencsés módon azt is kimutatták, hogy egy eddig ismeretlen, 60 atomot tartalmazó szénfaj spontán módon, viszonylag nagy gyakorisággal képződött. A C60-halmaz figyelemre méltó stabilitásának magyarázatára tett kísérletek arra a következtetésre vezették a tudósokat, hogy a halmaznak egy csonka ikozaéder alakú gömb alakú zárt ketrecnek kell lennie – egy olyan sokszögnek, amelynek 60 csúcsa és 32 oldala van, ebből 12 ötszög és 20 hatszög. A buckminsterfullerén fantázianevet választották a klaszter számára a geodéziai kupolák tervezőjének és feltalálójának tiszteletére, akinek ötletei befolyásolták szerkezeti feltevésüket.
1985 és 1990 között vizsgálatok sora mutatta ki, hogy a C60 és a C70 valóban kivételesen stabil, és meggyőző bizonyítékot szolgáltatott a ketrecszerkezeti javaslatra. Emellett bizonyítékot szereztek más kisebb metastabil fajok, például a C28, C36 és C50 létezésére, és kísérleti bizonyítékot szolgáltattak “endoéderes” komplexekre, amelyekben egy atom csapdába esett a ketrec belsejében. A kísérletek azt mutatták, hogy a bezárt atom mérete határozza meg a lehető legkisebb környező ketrec méretét. 1990-ben Donald R. Huffman amerikai és Wolfgang Krätschmer német fizikusok bejelentettek egy egyszerű technikát a fullerének makroszkopikus mennyiségű előállítására: két grafitrúd közötti elektromos ív segítségével hélium atmoszférában két grafitrúddal a szén elpárologtatására. A keletkező kondenzált gőzök szerves oldószerekben feloldva C60 kristályokat eredményeztek. Mivel a fullerének immár használható mennyiségben álltak rendelkezésre, e fajok kutatása figyelemre méltó mértékben kibővült, és megszületett a fullerénkémia területe.
A C60 molekula újszerű kémiai reakciók széles skáláján megy keresztül. Könnyen fogad el és ad le elektronokat, ez a viselkedés pedig az akkumulátorokban és a fejlett elektronikus eszközökben való lehetséges alkalmazásokra utal. A molekula szívesen ad hozzá hidrogén- és halogénatomokat. A halogénatomok helyettesíthetők más csoportokkal, például fenilcsoportokkal (a benzolból származó C6H5 képletű, gyűrű alakú szénhidrogén), így új fullerénszármazékok széles skálájához nyílik hasznos útvonal. E származékok némelyike fejlett anyagi viselkedést mutat. Különösen fontosak a C60 kristályos vegyületei alkálifémekkel és alkáliföldfémekkel; ezek a vegyületek az egyetlen olyan molekuláris rendszerek, amelyek viszonylag magas, 19 K feletti hőmérsékleten szupravezetést mutatnak. A szupravezetés 19 és 40 K között figyelhető meg, ami -254 és -233 °C vagy -425 és -387 °F közötti hőmérsékletnek felel meg.
A fullerén kémiában különösen érdekesek az úgynevezett endoéderes fajok, amelyekben egy fématom (az M általános jelöléssel) fizikailag csapdába esik egy fullerén ketrecben. Az így keletkező vegyületeket (amelyekhez az M@C60 formulákat rendelték) széles körben tanulmányozták. Az alkálifémek és alkáliföldfémek, valamint a korai lantanoidok a kiválasztott fémmel impregnált grafitkorongok vagy -rudak elgőzölgésével csapdázhatók. A hélium (He) szintén csapdába ejthető a C60-at héliumgőzben nyomás alatt hevítve. Egyes geológiai lelőhelyeken szokatlan izotóparányú He@C60 apró mintákat találtak, és a meteoritokban is talált minták információt szolgáltathatnak azon égitestek eredetéről, amelyekben megtalálták őket.