Buckminsterfullereni
Durante il periodo 1985-90 Kroto, lavorando con i colleghi dell’Università del Sussex, Brighton, Inghilterra, ha utilizzato tecniche di spettroscopia a microonde in laboratorio per analizzare gli spettri delle catene di carbonio. Queste misure hanno poi portato alla scoperta, tramite la radioastronomia, di molecole simili a catene composte da 5 a 11 atomi di carbonio nelle nubi di gas interstellari e nelle atmosfere di stelle giganti rosse ricche di carbonio. Durante una visita alla Rice University, Houston, Texas, nel 1984, Curl, un’autorità nella spettroscopia a microonde e infrarossi, suggerì a Kroto di vedere un ingegnoso apparato laser-supersonico a fasci sviluppato da Smalley. L’apparecchio poteva vaporizzare qualsiasi materiale in un plasma di atomi e poi essere usato per studiare i cluster risultanti (aggregati da decine a molte decine di atomi). Durante la visita, Kroto si rese conto che la tecnica poteva essere utilizzata per simulare le condizioni chimiche nell’atmosfera delle stelle di carbonio e quindi fornire prove convincenti per la sua congettura che le catene hanno avuto origine nelle stelle. In una serie ormai famosa di 11 giorni di esperimenti condotti nel settembre 1985 alla Rice University da Kroto, Smalley e Curl e dai loro studenti collaboratori James Heath, Yuan Liu e Sean O’Brien, l’apparato di Smalley fu usato per simulare la chimica nell’atmosfera delle stelle giganti accendendo il laser di vaporizzazione sulla grafite. Lo studio non solo ha confermato la produzione di catene di carbonio, ma ha anche mostrato, serendipitosamente, che una specie di carbonio fino ad allora sconosciuta contenente 60 atomi si è formata spontaneamente in abbondanza relativamente alta. I tentativi di spiegare la notevole stabilità dell’ammasso di C60 hanno portato gli scienziati alla conclusione che l’ammasso deve essere una gabbia sferoidale chiusa nella forma di un icosaedro troncato – un poligono con 60 vertici e 32 facce, 12 delle quali sono pentagoni e 20 esagoni. Scelsero il nome fantasioso buckminsterfullerene per il cluster in onore del progettista-inventore delle cupole geodetiche le cui idee avevano influenzato la loro congettura sulla struttura.
Dal 1985 al 1990, una serie di studi indicò che il C60, e anche il C70, erano davvero eccezionalmente stabili e fornirono prove convincenti per la proposta della struttura a gabbia. Inoltre, furono ottenute prove dell’esistenza di altre specie metastabili più piccole, come C28, C36 e C50, e furono fornite prove sperimentali per complessi “endoedrali”, in cui un atomo era intrappolato all’interno della gabbia. Gli esperimenti dimostrarono che la dimensione di un atomo incapsulato determinava la dimensione della più piccola gabbia circostante possibile. Nel 1990 i fisici Donald R. Huffman degli Stati Uniti e Wolfgang Krätschmer della Germania annunciarono una semplice tecnica per produrre quantità macroscopiche di fullereni, usando un arco elettrico tra due barre di grafite in un’atmosfera di elio per vaporizzare il carbonio. I vapori condensati risultanti, una volta dissolti in solventi organici, hanno prodotto cristalli di C60. Con i fullereni ora disponibili in quantità lavorabili, la ricerca su queste specie si è espansa in misura notevole, ed è nato il campo della chimica dei fullereni.
La molecola C60 subisce una vasta gamma di nuove reazioni chimiche. Accetta e dona prontamente elettroni, un comportamento che suggerisce possibili applicazioni in batterie e dispositivi elettronici avanzati. La molecola aggiunge facilmente atomi di idrogeno e di elementi alogeni. Gli atomi di alogeno possono essere sostituiti da altri gruppi, come il fenile (un idrocarburo ad anello con la formula C6H5 che deriva dal benzene), aprendo così utili vie ad una vasta gamma di nuovi derivati del fullerene. Alcuni di questi derivati mostrano un comportamento avanzato dei materiali. Particolarmente importanti sono i composti cristallini di C60 con metalli alcalini e alcalino-terrosi; questi composti sono gli unici sistemi molecolari ad esibire superconduttività a temperature relativamente alte sopra i 19 K. La superconduttività si osserva nell’intervallo da 19 a 40 K, equivalente a -254 a -233 °C o -425 a -387 °F.
Particolarmente interessanti nella chimica del fullerene sono le cosiddette specie endoedrali, in cui un atomo di metallo (dato la denominazione generica M) è fisicamente intrappolato dentro una gabbia di fullerene. I composti risultanti (assegnati alle formule M@C60) sono stati ampiamente studiati. I metalli alcalini e i metalli alcalino-terrosi così come i primi lantanoidi possono essere intrappolati vaporizzando dischi o barre di grafite impregnati del metallo selezionato. Anche l’elio (He) può essere intrappolato riscaldando il C60 in vapore di elio sotto pressione. Piccoli campioni di He@C60 con rapporti isotopici insoliti sono stati trovati in alcuni siti geologici, e campioni trovati anche in meteoriti possono fornire informazioni sull’origine dei corpi in cui sono stati trovati.