Buckminsterfullerenes
Durante o período 1985-90 Kroto, trabalhando com colegas da Universidade de Sussex, Brighton, Inglaterra, utilizou técnicas laboratoriais de espectroscopia de microondas para analisar os espectros das cadeias de carbono. Estas medições levaram mais tarde à detecção, por radioastronomia, de moléculas semelhantes a cadeias compostas por 5 a 11 átomos de carbono em nuvens de gás interestelar e nas atmosferas de estrelas gigantes vermelhas ricas em carbono. Em uma visita à Universidade Rice, Houston, Texas, em 1984, Curl, uma autoridade em espectroscopia de microondas e infravermelho, sugeriu que Kroto visse um engenhoso aparato de feixe laser-supersônico de cluster desenvolvido por Smalley. O aparelho poderia vaporizar qualquer material em um plasma de átomos e depois ser usado para estudar os aglomerados resultantes (agregados de dezenas a muitas dezenas de átomos). Durante a visita, Kroto percebeu que a técnica poderia ser usada para simular as condições químicas na atmosfera de estrelas de carbono e assim fornecer evidência convincente para sua conjectura de que as cadeias se originaram em estrelas. Em uma série de experimentos agora famosa de 11 dias conduzidos em setembro de 1985 na Universidade de Rice por Kroto, Smalley e Curl e seus colegas estudantes James Heath, Yuan Liu e Sean O’Brien, o aparelho de Smalley foi usado para simular a química na atmosfera de estrelas gigantes, transformando o laser de vaporização em grafite. O estudo não só confirmou que foram produzidas cadeias de carbono como também mostrou, de forma serendipital, que uma espécie de carbono até então desconhecida contendo 60 átomos se formou espontaneamente em abundância relativamente alta. Tentativas de explicar a notável estabilidade do aglomerado C60 levaram os cientistas a concluir que o aglomerado deve ser uma gaiola fechada esferoidal na forma de um icosaedro truncado – um polígono com 60 vértices e 32 faces, 12 das quais são pentagões e 20 hexágonos. Eles escolheram o nome imaginativo buckminsterfullerene para o conjunto em homenagem ao designer-inventor das cúpulas geodésicas cujas idéias influenciaram suas conjecturas estruturais.
De 1985 a 1990, uma série de estudos indicou que C60, e também C70, eram de fato excepcionalmente estáveis e forneceram evidências convincentes para a proposta de estrutura da gaiola. Além disso, foram obtidas evidências para a existência de outras espécies menores, como C28, C36 e C50, e foram fornecidas evidências experimentais para complexos “endoédricos”, nos quais um átomo estava preso dentro da gaiola. As experiências mostraram que o tamanho de um átomo encapsulado determinou o tamanho da menor gaiola possível ao redor. Em 1990 os físicos Donald R. Huffman dos Estados Unidos e Wolfgang Krätschmer da Alemanha anunciaram uma técnica simples para produzir quantidades macroscópicas de fulerenos, usando um arco elétrico entre duas hastes de grafite em uma atmosfera de hélio para vaporizar carbono. Os vapores condensados resultantes, quando dissolvidos em solventes orgânicos, produziam cristais de C60. Com os fullerenes agora disponíveis em quantidades viáveis, as pesquisas sobre estas espécies expandiram a um grau notável, e o campo da química fullerene nasceu.
A molécula C60 sofre uma ampla gama de novas reações químicas. Aceita e doa facilmente electrões, um comportamento que sugere possíveis aplicações em baterias e dispositivos electrónicos avançados. A molécula adiciona prontamente átomos de hidrogênio e dos elementos halogênios. Os átomos de halogéneo podem ser substituídos por outros grupos, tais como o fenil (um hidrocarboneto em forma de anel com a fórmula C6H5 que é derivado do benzeno), abrindo assim vias úteis para uma vasta gama de novos derivados do fullerene. Alguns destes derivados apresentam um comportamento avançado dos materiais. Particularmente importantes são os compostos cristalinos de C60 com metais alcalinos e metais alcalinos terrestres; estes compostos são os únicos sistemas moleculares a exibir supercondutividade a temperaturas relativamente altas acima de 19 K. A supercondutividade é observada na faixa de 19 a 40 K, equivalente a -254 a -233 °C ou -425 a -387 °F.
Particularmente interessantes na química do fullerene são as chamadas espécies endoédricas, nas quais um átomo metálico (dada a designação genérica M) está fisicamente preso dentro de uma gaiola de fullerene. Os compostos resultantes (atribuídos às fórmulas M@C60) têm sido extensivamente estudados. Os metais alcalinos e alcalino-terrosos, bem como os lantanóides precoces, podem ser aprisionados através da vaporização de discos ou varetas de grafite impregnadas com o metal seleccionado. O hélio (He) também pode ser aprisionado por aquecimento de C60 em vapor de hélio sob pressão. Amostras minuciosas de He@C60 com proporções isotópicas incomuns foram encontradas em alguns locais geológicos, e amostras também encontradas em meteoritos podem fornecer informações sobre a origem dos corpos em que foram encontrados.