Buckminsterfullerenes
În perioada 1985-1990, Kroto, împreună cu colegii de la Universitatea Sussex, Brighton, Anglia, a folosit tehnici de laborator de spectroscopie cu microunde pentru a analiza spectrele lanțurilor de carbon. Aceste măsurători au condus ulterior la detectarea, prin radioastronomie, a moleculelor sub formă de lanț formate din 5 până la 11 atomi de carbon în norii de gaz interstelar și în atmosferele stelelor gigante roșii bogate în carbon. Cu ocazia unei vizite la Universitatea Rice din Houston, Texas, în 1984, Curl, o autoritate în domeniul spectroscopiei cu microunde și în infraroșu, i-a sugerat lui Kroto să vadă un aparat ingenios de fascicule de fascicule laser-supersonice dezvoltat de Smalley. Aparatul putea vaporiza orice material într-o plasmă de atomi și apoi putea fi folosit pentru a studia clusterele rezultate (agregate de zeci până la multe zeci de atomi). În timpul vizitei, Kroto și-a dat seama că tehnica ar putea fi folosită pentru a simula condițiile chimice din atmosfera stelelor de carbon și, astfel, să ofere dovezi convingătoare pentru ipoteza sa conform căreia lanțurile își au originea în stele. Într-o serie de experimente de 11 zile, devenite celebre acum, efectuate în septembrie 1985 la Rice University de Kroto, Smalley și Curl și de colegii lor studenți James Heath, Yuan Liu și Sean O’Brien, aparatul lui Smalley a fost folosit pentru a simula chimia din atmosfera stelelor gigantice prin întoarcerea laserului de vaporizare asupra grafitului. Studiul nu numai că a confirmat faptul că au fost produse lanțuri de carbon, dar a arătat, de asemenea, în mod întâmplător, că o specie de carbon necunoscută până acum, care conținea 60 de atomi, s-a format spontan într-o abundență relativ mare. Încercările de a explica stabilitatea remarcabilă a clusterului de C60 i-au condus pe oamenii de știință la concluzia că clusterul trebuie să fie o cușcă sferoidală închisă sub forma unui icosaedru trunchiat – un poligon cu 60 de vârfuri și 32 de fețe, dintre care 12 sunt pentagoane și 20 de hexagoane. Ei au ales numele imaginativ buckminsterfullerene pentru cluster în onoarea designerului-inventator al cupolelor geodezice ale cărui idei au influențat conjectura lor privind structura.
Între 1985 și 1990, o serie de studii au indicat că C60, dar și C70, erau într-adevăr excepțional de stabile și au furnizat dovezi convingătoare pentru propunerea structurii de tip cușcă. În plus, au fost obținute dovezi pentru existența altor specii metastabile mai mici, cum ar fi C28, C36 și C50, și au fost furnizate dovezi experimentale pentru complecși „endoedrici”, în care un atom era prins în interiorul cuștii. Experimentele au arătat că dimensiunea unui atom încapsulat a determinat dimensiunea celei mai mici cuști posibile din jur. În 1990, fizicienii Donald R. Huffman din Statele Unite și Wolfgang Krätschmer din Germania au anunțat o tehnică simplă de producere a unor cantități macroscopice de fullereni, folosind un arc electric între două tije de grafit într-o atmosferă de heliu pentru a vaporiza carbonul. Vaporii condensați rezultați, atunci când au fost dizolvați în solvenți organici, au dat cristale de C60. Cu fullerenii acum disponibili în cantități viabile, cercetarea asupra acestor specii s-a extins la un nivel remarcabil, iar domeniul chimiei fullerenelor s-a născut.
Molcula C60 este supusă unei game largi de reacții chimice inedite. Aceasta acceptă și donează cu ușurință electroni, un comportament care sugerează posibile aplicații în baterii și dispozitive electronice avansate. Molecula adaugă cu ușurință atomi de hidrogen și de elemente halogenate. Atomii de halogen pot fi înlocuiți cu alte grupări, cum ar fi fenilul (o hidrocarbură în formă de inel cu formula C6H5 care derivă din benzen), deschizând astfel căi utile către o gamă largă de derivați noi de fulleren. Unii dintre acești derivați prezintă un comportament de materiale avansate. Deosebit de importanți sunt compușii cristalini ai C60 cu metale alcaline și alcalino-pământoase; acești compuși sunt singurele sisteme moleculare care prezintă supraconductibilitate la temperaturi relativ ridicate de peste 19 K. Supraconductibilitatea este observată în intervalul 19 – 40 K, echivalent cu -254 – -233 °C sau -425 – -387 °F.
Deosebit de interesante în chimia fullerenului sunt așa-numitele specii endoedrale, în care un atom de metal (căruia i se dă denumirea generică M) este prins fizic în interiorul unei cuști de fulleren. Compușii rezultați (cărora li s-au atribuit formulele M@C60) au fost studiați pe larg. Metalele alcaline și cele alcalino-pământoase, precum și primele lantanoide pot fi captate prin vaporizarea unor discuri sau tije de grafit impregnate cu metalul selectat. Heliul (He) poate fi, de asemenea, captat prin încălzirea C60 în vapori de heliu sub presiune. Mostre minuscule de He@C60 cu raporturi izotopice neobișnuite au fost găsite în unele situri geologice, iar mostrele găsite și în meteoriți pot oferi informații despre originea corpurilor în care au fost găsite.
.