Buckminsterfullerenes
In de periode 1985-90 gebruikte Kroto, in samenwerking met collega’s van de Universiteit van Sussex, Brighton, Engeland, microgolf spectroscopie technieken om de spectra van koolstofketens te analyseren. Deze metingen leidden later tot de opsporing, door middel van radioastronomie, van ketenvormige moleculen bestaande uit 5 tot 11 koolstofatomen in interstellaire gaswolken en in de atmosferen van koolstofrijke rode reuzensterren. Tijdens een bezoek aan de Rice University in Houston, Texas, in 1984, stelde Curl, een autoriteit op het gebied van microgolf- en infraroodspectroscopie, voor dat Kroto een ingenieus laser-supersonisch clusterbundel-apparaat zou zien dat door Smalley was ontwikkeld. Het apparaat kon elk materiaal verdampen tot een plasma van atomen en vervolgens worden gebruikt om de resulterende clusters (aggregaten van tientallen tot vele tientallen atomen) te bestuderen. Tijdens het bezoek realiseerde Kroto zich dat de techniek zou kunnen worden gebruikt om de chemische omstandigheden in de atmosfeer van koolstofsterren te simuleren en zo overtuigend bewijs te leveren voor zijn vermoeden dat de ketens in sterren zijn ontstaan. In een nu beroemde 11-daagse reeks experimenten die in september 1985 aan de Rice University werden uitgevoerd door Kroto, Smalley en Curl en hun student-collega’s James Heath, Yuan Liu en Sean O’Brien, werd Smalley’s apparaat gebruikt om de chemie in de atmosfeer van reuzensterren te simuleren door de verdampingslaser op grafiet te richten. De studie bevestigde niet alleen dat koolstofketens werden geproduceerd, maar toonde ook aan, als bij toeval, dat een tot dusver onbekende koolstofsoort met 60 atomen zich spontaan vormde in betrekkelijk grote overvloed. Pogingen om de opmerkelijke stabiliteit van de C60-cluster te verklaren leidden de wetenschappers tot de conclusie dat de cluster een sferoïdale gesloten kooi moet zijn in de vorm van een afgeknotte icosaëder-een veelhoek met 60 hoekpunten en 32 zijvlakken, waarvan er 12 vijfhoeken en 20 zeshoeken zijn. Zij kozen de fantasierijke naam buckminsterfullereen voor de cluster, ter ere van de ontwerper-uitvinder van de geodetische koepels, wiens ideeën van invloed waren geweest op hun vermoeden over de structuur.
Van 1985 tot 1990 bleek uit een reeks studies dat C60, en ook C70, inderdaad uitzonderlijk stabiel waren en overtuigend bewijs leverden voor het voorstel over de kooistructuur. Bovendien werd bewijs verkregen voor het bestaan van andere kleinere metastabiele soorten, zoals C28, C36, en C50, en werd experimenteel bewijs geleverd voor “endohedrale” complexen, waarin een atoom gevangen zat binnen de kooi. Experimenten toonden aan dat de grootte van een ingekapseld atoom de grootte bepaalde van de kleinst mogelijke omringende kooi. In 1990 kondigden de natuurkundigen Donald R. Huffman uit de Verenigde Staten en Wolfgang Krätschmer uit Duitsland een eenvoudige techniek aan om macroscopische hoeveelheden fullerenen te produceren, waarbij een elektrische boog tussen twee grafietstaven in een heliumatmosfeer wordt gebruikt om koolstof te laten verdampen. De gecondenseerde dampen die daarbij vrijkwamen, werden opgelost in organische oplosmiddelen en leverden kristallen van C60 op. Nu fullerenen in werkbare hoeveelheden beschikbaar waren, breidde het onderzoek naar deze soorten zich opmerkelijk uit en was het vakgebied van de fullereenchemie geboren.
Het C60-molecuul ondergaat een breed scala aan nieuwe chemische reacties. Het accepteert en doneert gemakkelijk elektronen, een gedrag dat mogelijke toepassingen in batterijen en geavanceerde elektronische apparaten suggereert. Het molecuul voegt gemakkelijk waterstofatomen en halogeenatomen toe. De halogeenatomen kunnen worden vervangen door andere groepen, zoals fenyl (een ringvormige koolwaterstof met de formule C6H5 die is afgeleid van benzeen), waardoor nuttige wegen worden geopend naar een breed scala van nieuwe fullereenderivaten. Sommige van deze derivaten vertonen geavanceerde materiaalkenmerken. Van bijzonder belang zijn kristallijne verbindingen van C60 met alkali- en aardalkalimetalen; deze verbindingen zijn de enige moleculaire systemen die supergeleiding vertonen bij relatief hoge temperaturen boven 19 K. Supergeleiding wordt waargenomen in het bereik van 19 tot 40 K, wat overeenkomt met -254 tot -233 °C of -425 tot -387 °F.
Bijzonder interessant in de fullereenchemie zijn de zogenaamde endohedrale soorten, waarin een metaalatoom (met de generieke aanduiding M) fysisch is opgesloten binnen een fullereen-kooi. De resulterende verbindingen (met de formules M@C60) zijn uitgebreid bestudeerd. Alkali- en aardalkalimetalen en vroege lanthanoïden kunnen worden ingesloten door het verdampen van grafietschijven of -staven die met het gekozen metaal zijn geïmpregneerd. Helium (He) kan ook worden gevangen door C60 te verhitten in heliumdamp onder druk. Minuscule monsters van He@C60 met ongebruikelijke isotopenverhoudingen zijn op sommige geologische plaatsen gevonden, en monsters die ook in meteorieten zijn gevonden, kunnen informatie opleveren over de oorsprong van de lichamen waarin zij zijn gevonden.