Les fullerènes sont des allotropes du carbone constitué de molécules ayant la forme d'une sphère, d'un ellipsoïde, d'un tube (nanotube) ou d'un . Les fullerènes sont similaires au graphite, composé de feuilles d'anneaux hexagonaux liés, mais ils comportent des anneaux pentagonaux et parfois heptagonaux, ce qui courbe la feuille. Les fullerènes sont la troisième forme allotropique connue du carbone, après le graphite et le diamant.
Les fullerènes ont été découverts en 1985 par Harold Kroto, Robert Curl et Richard Smalley, ce qui leur valut le prix Nobel de chimie en 1996.
Le premier fullerène découvert a pour formule . Ses molécules se composent de douze pentagones et vingt hexagones, chaque sommet étant occupé par un atome de carbone et chaque côté par une liaison covalente. Cette structure est la même que celle d'un dôme géodésique ou d'un ballon de football. Pour cette raison, il est appelé buckminsterfullerène, en hommage à l'architecte Richard Buckminster Fuller qui a conçu le dôme géodésique, ou « footballène ».
Historique L’existence du avait été prédite par Eiji Osawa, de l'université technique de Toyohashi en 1970. Il avait remarqué que la structure de la molécule de corannulène était un sous-ensemble d’une forme en ballon de football, et il fit l’hypothèse qu’une forme complète en ballon de football pourrait exister. Son idée fut reprise dans des journaux japonais, mais n’atteignit pas les audiences européenne et américaine.
Dans les années 1980, Harold Kroto voulaient mieux comprendre les mécanismes de formation des longues chaînes de carbone dans le milieu interstellaire. À cette fin, ils vaporisèrent un disque de graphite par ablation laser et mirent en évidence l'existence d'agrégats particulièrement stables contenant 60 atomes de carbone. Dans des expériences de faisceaux moléculaires, des pics discrets furent observés, correspondant à des molécules avec la masse exacte de 60, de 70 ou plus d’atomes de carbone. Le , Harold Kroto, James R. Heath, Sean O’Brien, Robert Curl et Richard Smalley découvrirent le ., et rapidement après cela découvrirent les fullerènes. Kroto, Curl et Smalley furent récompensés du prix Nobel de chimie en 1996 pour leurs rôles dans la découverte de cette classe de composés.
et d’autres fullerènes furent plus tard observés en dehors des laboratoires : d’infimes quantités de fullerènes, sous la forme de molécules , , et , sont produites dans la nature, dans la suie lors des combustions et dans les éclairs à travers l’atmosphère. En 1997, les fullerènes furent trouvés dans un minéral connu sous le nom de shungite en république de Carélie, en Russie.. La présence des fullerènes et dans l'espace fut mise en évidence en 2010 par spectroscopie infrarouge dans la nébuleuse planétaire Tc1..
En 1991, il fut facile de produire des quantités de l'ordre du gramme de poudre de fullerène en utilisant les techniques de et Wolfgang Krätschmer.. Au , la purification du fullerène reste un défi pour les chimistes et détermine largement son prix. Les fullerènes endohédriques, par exemple, incorporent à l'intérieur de leur structure, des ions et des petites molécules. Le fullerène a un comportement inhabituel dans beaucoup de réactions organiques, telles que la réaction de Bingel découverte en 1993..
Classification Le C60 et le C70 sont des structures chimiques qui ont été inventées par l'être humain en 1985, elles faisaient donc partie des composés chimiques artificiels. Mais depuis la découverte de ces molécules dans l'espace interstellaire, elles sont désormais classées comme espèces chimiques naturelles (et synthétiques pour celle fabriquées par l'humain).
Variations vignette|alt=Image montrant le fullerène C|Fullerène C. Depuis la découverte des fullerènes en 1985, les variations structurelles des fullerènes découverts vont au-delà des fragments eux-mêmes. Par exemple, il existe des :
buckyballes : le plus petit est le (synthétisé en phases gazeuse. et solide..) et le plus commun est le ; nanotubes : tubes de très petites dimensions, ayant une ou plusieurs parois, avec des applications potentielles dans l’industrie électronique ; mégatubes : plus grands en diamètre que les nanotubes et ayant des parois de différentes largeurs, pouvant être utilisés pour le transport de ; polymères : chaînes à deux ou trois dimensions qui sont formées sous haute pression à des températures élevées ; nano « oignons » : particules sphériques basées sur de multiples strates de carbone entourant un cœur de buckyballe, proposés comme lubrifiants ; dimères liant chaîne et balle : deux buckyballes liées par une chaîne de carbone ; anneaux de fullerènes ou tores : la forme d'une bague.
Buckyballes Buckminsterfullerène
fut nommé buckminsterfullerène en l'honneur de Richard Buckminster Fuller, un architecte renommé qui popularisa le dôme géodésique. Comme les buckminsterfullerènes avaient la même forme que celle du dôme, le nom fut considéré pertinent. La découverte de la famille des fullerènes vint après celle du buckminsterfullerène, le nom fut raccourci pour illustrer le fait que ce dernier est un type de fullerène.
Le buckminsterfullerène (code IUPAC : (C60-Ih)[5,6] fullerène) est la plus petite molécule de fullerène dans laquelle deux pentagones ne partagent pas un côté (ce qui peut être déstabilisateur). C’est le plus commun en termes d’occurrence naturelle, puisqu’on peut le trouver dans la suie.
La structure du est un icosaèdre tronqué (T=3), qui ressemble à un ballon de football fait de 20 hexagones et de 12 pentagones, avec un atome de carbone au sommet de chaque polygone et une liaison à chaque côté du polygone.
Le diamètre Van der Waals de la molécule de est d’environ un nanomètre (nm). Le diamètre du noyau de la molécule est d’environ .
Anecdotiquement, il est possible de manipuler le buckminsterfullerène afin de créer un matériau plus dur que le diamant.. Cela devra toutefois être confirmé par d'autres expériences indépendantes.
Variétés
Le est un autre fullerène commun, mais des fullerènes avec 72, 76, 84 et même 100 atomes de carbone peuvent être obtenus.
Le plus petit fullerène est le dodécaèdre régulier, équivalent déshydrogéné du dodécaédrane. Il n’y a pas de fullerène avec 22 sommets. Le nombre de fullerènes augmente bien plus vite que n - ce n'est pas proportionnel. Par exemple, il y a non-isomorphiques . Une forme de , un fullerène icosaèdre tronqué, n’a pas de paire de pentagones adjacents (le plus petit fullerène de ce type). Il y a non-isomorphiques , dont qui n’ont pas de pentagones adjacents..
Buckyballe de bore Des chercheurs de l'université Rice ont avancé la possibilité de l'existence d'un type de buckyballe formée d'atomes de bore au lieu du carbone habituel.. La structure serait théoriquement plus stable que celle du . L'une des raisons avancées par les chercheurs est que le est plus proche de la structure du dôme géodésique popularisé par Richard Buckminster Fuller et est formé de triangles plutôt que d'hexagones. Par la suite un modèle formé de pentagones sera créé.
En 2014, la mise en évidence d'une molécule (formée de 48 triangles, deux hexagones et quatre heptagones) a été annoncée par une équipe de l'université Brown Hua Jin-Zhai , « Observation of an all-boron fullerene » , Nature Chemistry, , , , ..
Propriétés
Structure Pour qu'un fullerène soit stable, les anneaux pentagonaux ne doivent pas être adjacents. D'une façon générale, on définit les fullerènes comme étant des structures fermées composées de (2n-20)/2 hexagones et de 12 pentagones. La plus petite molécule sphérique répondant à cette définition est le , dont les atomes sont aux sommets d'un icosaèdre tronqué. C'est également le fullerène le plus fréquent. Les fullerènes C60 cristallisent dans le système cubique faces centrées (cfc). Le solide obtenu, à la différence du diamant et du graphite, est un solide moléculaire (cohésion cristalline de type Van der Waals), et chaque molécule C60 peut tourner librement sur elle-même.
En termes mathématiques, la structure d’un fullerène est un polyèdre convexe trivalent avec des faces pentagonales et hexagonales. En théorie des graphes, le terme « fullerène » fait référence à tout graphe planaire régulier-3 avec toutes les faces d’une taille de 5 ou 6 (y compris la face externe). Cela correspond à la caractéristique d'Euler concernant les polyèdres, |V|-|E|+|F| = 2, (où |V|, |E| et |F| indiquent le nombre de sommets, côtés et faces), c'est-à-dire qu’il y a exactement 12 pentagones dans un fullerène et |V|/2-10 hexagones.
Formation Les fullerènes sont obtenus à partir du graphite vaporisé sous une atmosphère de gaz neutre, hélium ou argon.
Nanoparticule Les fullerènes possèdent une structure sphérique creuse de dimensions de l’ordre du nanomètre. Cela en fait des nanoparticules et en tant que telles, leurs propriétés chimiques doivent être étudiées différemment. Aussi, les fullerènes sont peu solubles dans l’eau ( mg/mL), mais ils peuvent former des suspensions colloïdales et des agrégats, ce qui peut augmenter leur solubilité par un facteur allant jusqu’à 10 fois.. De plus, ils peuvent complexer avec la matière organique dissoute et la matière en suspension, ce qui augmente leur mobilité..
Diffraction En 1999, des chercheurs de l'Université de Vienne. montrent que la dualité onde-particule s'applique également à des macromolécules telles que le fullerène : il est possible de réaliser des expériences de diffraction de . En voici la description :
La production d'un faisceau incident de s'effectue par sublimation à des températures entre et . Du fait du poids des molécules de , la gravitation a des effets non négligeables sur la trajectoire du faisceau, ce qui doit être pris en compte pour la réalisation du dispositif expérimental. Après diffraction sur l'échantillon (une grille de contenant des trous de de large espacés de ), les molécules de se déposent sur un écran bidimensionnel. Leurs distributions spatiale et quantitative s'obtient en balayant l'écran avec un faisceau laser visible. L'absorption de la lumière ionise les molécules de qui sont alors accélérées par l'application d'une tension électrique vers une électrode, où elles provoquent l'émission d'électrons qui constituent le signal détecté.
Par la suite, d'autres fullerènes ont été utilisés pour des expériences de diffraction, comme le . La température du faisceau incident joue un rôle important dans la diffraction. Si elle est trop élevée, les molécules de fullerène émettent des photons par rayonnement thermique et perdent ainsi leur cohérence : les interférences sont alors détruites..
Usages Les fullerènes sont le deuxième type de nanoparticules le plus utilisé après celles d’argent. Leurs propriétés de structure, conductrices et lubrifiantes font qu’ils sont utilisés dans plusieurs champs d’activités. Parmi ceux-ci, on retrouve les domaines de la pharmaceutique, des produits cosmétiques, de l’électronique et de la photovoltaïque..
Inspiration artistique L’artiste de formation scientifique Julian Voss-Andreae a réalisé plusieurs sculptures en forme dômes géodésiques évoquant conceptuellement la dualité onde-particule du buckminsterfullerène.. Il a participé à des recherches démontrant que même des objets aussi gros que le buckminsterfullerène obéissent aux lois étranges de la physique quantique.. Voss-Andreae a ensuite abandonné sa carrière de scientifique pour mener une carrière d’artiste à temps plein. Il a réalisé des objets tels qu’une structure de bronze de de diamètre intitulée Quantum Buckyball (2004), composée de buckminsterfullerènes imbriqués. Sa plus grande sculpture de fullerènes est installée dans un parc privé de Portland, dans l’Oregon. Quantum reality (Large Buckyball Around Trees) (2007) est une structure en acier de de diamètre à travers laquelle s’entrecroisent des arbres qui poussent librement et la maintiennent en l’air, juste au-dessus de notre portée.
Méthodes de dosage dans l’eau