Buckminsterfullereny
W latach 1985-90 Kroto, pracując z kolegami z Uniwersytetu Sussex w Brighton w Anglii, użył laboratoryjnych technik spektroskopii mikrofalowej do analizy widm łańcuchów węglowych. Pomiary te doprowadziły później do wykrycia, za pomocą radioastronomii, łańcuchowych cząsteczek składających się z 5 do 11 atomów węgla w obłokach gazu międzygwiazdowego oraz w atmosferach bogatych w węgiel czerwonych gwiazd olbrzymów. Podczas wizyty na Uniwersytecie Rice’a w Houston (Teksas) w 1984 roku Curl, autorytet w dziedzinie spektroskopii mikrofalowej i podczerwonej, zaproponował Kroto obejrzenie genialnego aparatu do laserowo-supersonicznej wiązki klasterowej, opracowanego przez Smalleya. Aparat ten mógł odparować dowolny materiał do postaci plazmy atomów, a następnie zostać użyty do badania powstałych klastrów (skupisk od kilkudziesięciu do wielu dziesiątek atomów). Podczas tej wizyty Kroto zdał sobie sprawę, że technika ta może być wykorzystana do symulacji warunków chemicznych panujących w atmosferze gwiazd węglowych i w ten sposób dostarczyć niezbitych dowodów na jego przypuszczenia, że łańcuchy powstały w gwiazdach. W słynnej już 11-dniowej serii eksperymentów przeprowadzonych we wrześniu 1985 roku na Uniwersytecie Rice’a przez Kroto, Smalleya i Curla oraz ich współpracowników Jamesa Heatha, Yuana Liu i Seana O’Briena, aparatura Smalleya została wykorzystana do symulacji warunków chemicznych panujących w atmosferze gwiazd olbrzymich poprzez skierowanie lasera parującego na grafit. Badania nie tylko potwierdziły, że powstają łańcuchy węglowe, ale także pokazały, że nieznany dotąd gatunek węgla zawierający 60 atomów tworzy się spontanicznie w stosunkowo dużej ilości. Próby wyjaśnienia niezwykłej stabilności klastra C60 doprowadziły naukowców do wniosku, że klaster musi być sferoidalną zamkniętą klatką w formie ściętego dwudziestościanu – wielokąta o 60 wierzchołkach i 32 ścianach, z których 12 to pięciokąty, a 20 sześciokąty. Wybrali fantazyjną nazwę buckminsterfullerene dla klastra na cześć projektanta-wynalazcy kopuł geodezyjnych, którego pomysły wpłynęły na ich przypuszczenia dotyczące struktury.
Od 1985 do 1990, seria badań wykazała, że C60, a także C70, są rzeczywiście wyjątkowo stabilne i dostarczyły przekonujących dowodów na propozycję struktury klatkowej. Ponadto, uzyskano dowody na istnienie innych mniejszych metastabilnych gatunków, takich jak C28, C36 i C50, oraz eksperymentalne dowody na istnienie kompleksów „endohedralnych”, w których atom jest uwięziony wewnątrz klatki. Eksperymenty pokazały, że rozmiar uwięzionego atomu determinuje rozmiar najmniejszej możliwej otaczającej go klatki. W 1990 r. fizycy Donald R. Huffman z USA i Wolfgang Krätschmer z Niemiec ogłosili prostą technikę wytwarzania makroskopowych ilości fullerenów, polegającą na wykorzystaniu łuku elektrycznego pomiędzy dwoma prętami grafitowymi w atmosferze helu do odparowania węgla. Powstałe w ten sposób skondensowane opary, po rozpuszczeniu w rozpuszczalnikach organicznych, dały kryształy C60. Dzięki temu, że fulereny były już dostępne w praktycznych ilościach, badania nad tymi gatunkami rozwinęły się do niebywałego stopnia, a dziedzina chemii fulerenów została powołana do życia.
Cząsteczka C60 ulega szerokiej gamie nowych reakcji chemicznych. Łatwo przyjmuje i oddaje elektrony, zachowanie, które sugeruje możliwe zastosowania w bateriach i zaawansowanych urządzeniach elektronicznych. Cząsteczka łatwo dodaje atomy wodoru i pierwiastków halogenowych. Atomy halogenu mogą być zastąpione przez inne grupy, takie jak fenyl (pierścieniowy węglowodór o wzorze C6H5, pochodzący od benzenu), otwierając w ten sposób drogę do szerokiej gamy nowych pochodnych fulerenów. Niektóre z tych pochodnych wykazują zaawansowane zachowania materiałowe. Szczególne znaczenie mają krystaliczne związki C60 z metalami alkalicznymi i ziem alkalicznych; związki te są jedynymi układami molekularnymi wykazującymi nadprzewodnictwo w stosunkowo wysokich temperaturach powyżej 19 K. Nadprzewodnictwo obserwuje się w zakresie od 19 do 40 K, co odpowiada temperaturze od -254 do -233 °C lub od -425 do -387 °F.
Szczególnie interesujące w chemii fulerenów są tzw. gatunki endohedralne, w których atom metalu (oznaczony ogólnym symbolem M) jest fizycznie uwięziony wewnątrz klatki fulerenowej. Powstałe w ten sposób związki (przypisane do wzorów M@C60) zostały szeroko przebadane. Metale alkaliczne i metale ziem alkalicznych, a także wczesne lantanoidy mogą być uwięzione poprzez odparowanie krążków lub prętów grafitowych nasyconych wybranym metalem. Hel (He) może być również uwięziony poprzez ogrzewanie C60 w parach helu pod ciśnieniem. Minutowe próbki He@C60 o nietypowych stosunkach izotopowych zostały znalezione w niektórych miejscach geologicznych, a próbki znalezione w meteorytach mogą dostarczyć informacji o pochodzeniu ciał, w których zostały znalezione.