Buckminsterfullerener
Under perioden 1985-90 använde Kroto tillsammans med kollegor vid University of Sussex i Brighton, England, mikrovågsspektroskopiteknik för att analysera kolkedjors spektrum. Dessa mätningar ledde senare till att man genom radioastronomi upptäckte kedjeliknande molekyler bestående av 5 till 11 kolatomer i interstellära gasmoln och i atmosfären hos kolrika röda jättestjärnor. Vid ett besök vid Rice University i Houston, Texas, 1984 föreslog Curl, en auktoritet inom mikrovågs- och infraröd spektroskopi, att Kroto skulle få se en genialisk laser-supersonisk klusterstråleapparat som utvecklats av Smalley. Apparaten kunde förånga vilket material som helst till en plasma av atomer och sedan användas för att studera de resulterande klustren (aggregat av tiotals till många tiotals atomer). Under besöket insåg Kroto att tekniken skulle kunna användas för att simulera de kemiska förhållandena i atmosfären hos kolstjärnor och på så sätt ge övertygande bevis för hans gissning att kedjorna har sitt ursprung i stjärnor. I en numera berömd 11-dagars serie experiment som genomfördes i september 1985 vid Rice University av Kroto, Smalley och Curl samt deras studentmedarbetare James Heath, Yuan Liu och Sean O’Brien, användes Smalleys apparat för att simulera kemin i jättestjärnors atmosfär genom att förångningslasern vändes mot grafit. Studien bekräftade inte bara att kolkedjor producerades, utan visade också, som en slump, att en hittills okänd kolart som innehåller 60 atomer bildades spontant i relativt stor mängd. Försök att förklara den anmärkningsvärda stabiliteten hos C60-klustret ledde forskarna till slutsatsen att klustret måste vara en sfärisk sluten bur i form av en avkortad icosaeder – en polygon med 60 hörn och 32 ytor, varav 12 är femhörningar och 20 sexhörningar. De valde det fantasifulla namnet buckminsterfulleren för klustret för att hedra designern och uppfinnaren av de geodetiska kupolerna, vars idéer hade påverkat deras antagande om strukturen.
Från 1985 till 1990 visade en rad studier att C60, och även C70, verkligen var exceptionellt stabila och gav övertygande bevis för förslaget om burstruktur. Dessutom erhölls bevis för existensen av andra mindre metastabila arter, såsom C28, C36 och C50, och experimentella bevis gavs för ”endoedriska” komplex, där en atom var instängd inuti buren. Experimenten visade att storleken på en inkapslad atom bestämde storleken på den minsta möjliga omgivande buren. År 1990 tillkännagav fysikerna Donald R. Huffman från USA och Wolfgang Krätschmer från Tyskland en enkel teknik för att framställa makroskopiska mängder fullerener genom att använda en elektrisk båge mellan två grafitstavar i en heliumatmosfär för att förånga kol. De kondenserade ångorna som upplöses i organiska lösningsmedel ger kristaller av C60. När fullerener nu fanns tillgängliga i användbara mängder expanderade forskningen om dessa arter i en anmärkningsvärd omfattning, och området fullerenkemi föddes.
C60-molekylen genomgår ett stort antal nya kemiska reaktioner. Den tar lätt emot och avger elektroner, ett beteende som tyder på möjliga tillämpningar i batterier och avancerade elektroniska apparater. Molekylen lägger lätt till väteatomer och halogenatomer. Halogenatomerna kan ersättas med andra grupper, t.ex. fenyl (ett ringformat kolväte med formeln C6H5 som härstammar från bensen), vilket öppnar användbara vägar till ett brett spektrum av nya fullerenderivat. Vissa av dessa derivat uppvisar ett avancerat materialbeteende. Dessa föreningar är de enda molekylära system som uppvisar supraledningsförmåga vid relativt höga temperaturer över 19 K. Supraledningsförmåga observeras i intervallet 19-40 K, vilket motsvarar -254-233 °C eller -425-387 °F.
Partikulärt intressanta inom fullerenkemin är de så kallade endohedrala arterna, där en metallatom (som ges den generiska beteckningen M) är fysiskt instängd inuti en fullerenbur. De resulterande föreningarna (med formeln M@C60) har studerats ingående. Alkalimetaller och alkaliska jordartsmetaller samt tidiga lantanoider kan fångas in genom förångning av grafitskivor eller grafitstavar som är impregnerade med den valda metallen. Helium (He) kan också fångas in genom uppvärmning av C60 i heliumånga under tryck. Små prover av He@C60 med ovanliga isotopförhållanden har hittats på vissa geologiska platser, och prover som också hittats i meteoriter kan ge information om ursprunget av de kroppar i vilka de hittades.