La découverte des « buckyballs »

Les fullerènes sont une famille de molécules de carbone qui prennent la forme de cages très symétriques. Les plus abondantes et les mieux connues des membres de cette famille sont les molécules de carbone dont la cage comprend 60 atomes de carbone, les C₆₀. Elles ont reçu le nom de « buckminsterfullerène » en l'honneur de l'architecte R. Buckminster Fuller qui a été un pionnier dans l'étude des structures polygonales et l'inventeur du dôme géodésique. On abrège habituellement le nom du buckminsterfullerène en « buckyball », ce qui est plus attrayant.

En 1985, le professeur Kroto s'était rendu à la Rice University pour utiliser l'équipement du professeur Smalley servant à l'étude de la formation des molécules carbone–azote à longue chaîne : les cyanopolyynes. M. Kroto espérait qu'en utilisant l'équipement du professeur Smalley pour étudier la formation d'amas de carbone, il pourrait comprendre comment les cyanopolyynes se forment en atmosphère stellaire. L'expérience a été exécutée avec l'aide du professeur Curl et des étudiants diplômés J.R. Heath et S.C. O'Brien. Elle supposait la vaporisation du carbone à l'aide d'une intense pulsation de lumière laser dirigée sur une surface de carbone et la condensation des atomes de carbone dans une atmosphère d'hélium inerte. À mesure qu'ils se condensaient, les atomes de carbone se combinaient en amas. Ces amas ont ensuite été analysés à l'aide d'un spectromètre de masse qui a permis de découvrir des molécules comprenant un grand nombre d'atomes de carbone. On a donc conclu que, en raffinant le processus, on pouvait produire des amas de 60 et 70 atomes de carbone, les C₆₀ étant les plus abondants.

Avant la découverte des fullerènes, il existait six formes cristallines connues de l'élément carbone. Il s'agit de deux types de graphite, de deux sortes de diamants, du chaoit et du carbone VI. Les fullerènes sont maintenant considérés comme la septième forme cristalline connue du carbone. Les buckyballs ont une structure en forme de sphère polyèdre comprenant 32 faces, dont 20 hexagonales (6 côtés) et 12 pentagonales (5 côtés). La structure qui en résulte ressemble à un ballon de soccer. La buckyball est très importante sur le plan théorique parce qu'elle constitue un système tridimensionnel hautement symétrique, aromatique et stable où les liaisons simples et doubles alternent. MM. Curl, Kroto et Smalley ont poussé plus loin leurs expériences sur le C₆₀ en essayant de le faire réagir avec d'autres composés comme l'hydrogène, l'oxyde de carbone et l'oxygène. Ils ont découvert que le C₆₀ restait inchangé. En fait, tous les amas de carbone comportant un nombre pair d'atomes de carbone, entre 40 et 80, ont réagi tout aussi lentement, ce qui suggère qu'ils ont aussi des structures fermées. Les expériences qui ont suivi ont porté sur la possibilité pour les buckyballs d'englober d'autres atomes, puisqu'elles ont un intérieur creux. On a donc essayé d'y faire pénétrer un atome de métal. Une feuille de graphite a été saturée d'une solution de chlorure de lanthane (LaCl₃) et soumise à une expérience de vaporisation–condensation. On a ainsi produit le C₆₀La⁺ où l'ion de lanthane étant enfermé dans la cage !

Le fait que les buckyballs et les amas entièrement constitués de carbone comptant un nombre de pair d'atomes aient une structure fermée permet de supposer que l'élément carbone pourrait adopter un nombre quasi infini de structures différentes. Ce sont ces structures fermées qu'on a appelées fullerènes. À la suite de la découverte des fullerènes, en 1985, d'autres scientifiques ont commencé à étudier le C₆₀. À telle enseigne que les fullerènes désignent maintenant des composés chimiques bien définis. De nouvelles méthodes chimiques ont été mises au point pour manipuler et étudier ces nouveaux composés. Il est même possible de produire des sels superconducteurs de C₆₀, de nouveaux polymères tridimensionnels et de nouveaux catalyseurs. Les scientifiques ne font que commencer à explorer le vaste monde de la chimie des fullerènes.