Introduction
Les fullerènes constituent une famille fascinante de nanostructures de carbone découverte à la fin du XXe siècle. Leur existence a bouleversé la vision classique des formes du carbone, prouvant que cet élément pouvait s'organiser en molécules sphériques creuses et en tubes. Cette découverte fortuite a ouvert la voie à la nanotechnologie et valu le prix Nobel de chimie à ses découvreurs.
Description
Un fullerène est une molécule composée exclusivement d'atomes de carbone, prenant la forme d'une cage polyédrique creuse. Les atomes de carbone y sont hybridés sp², formant des cycles pentagonaux et hexagonaux, selon la règle mathématique d'Euler. La structure la plus emblématique est le C60, composé de 60 atomes de carbone arrangés en 12 pentagones et 20 hexagones, formant un icosaèdre tronqué parfaitement symétrique. D'autres fullerènes existent, comme le C70 (ressemblant à un ballon de rugby), le C76, ou les nanotubes de carbone, considérés comme des fullerènes cylindriques. Ces molécules sont stables, insolubles dans l'eau mais solubles dans certains solvants organiques, et peuvent piéger d'autres atomes ou molécules à l'intérieur de leur cage, formant des endo-fullerènes.
Histoire
La quête théorique des fullerènes a commencé dans les années 1960-70, avec des prédictions par des chercheurs comme Eiji Osawa et David Jones. Cependant, la découverte expérimentale est survenue en 1985 de manière inattendue. L'équipe de Harold Kroto (Université du Sussex), en collaboration avec Robert Curl et Richard Smalley (Université Rice à Houston), étudiait les spectres de molécules carbonées dans l'espace interstellaire. En vaporisant du graphite avec un laser puissant dans une atmosphère d'hélium, ils ont produit des agrégats de carbone. Leurs spectromètres de masse ont révélé un pic massif pour une molécule contenant exactement 60 atomes de carbone. Après avoir écarté d'autres structures, ils ont proposé la structure sphérique en cage, qu'ils nommèrent "buckminsterfullerène" en hommage à l'architecte Buckminster Fuller, concepteur des dômes géodésiques. La preuve définitive et la production en quantité suffisante pour étude sont venues en 1990, lorsque Wolfgang Krätschmer et Donald Huffman ont mis au point une méthode simple pour les synthétiser par arc électrique entre deux électrodes de graphite. Cette découverte a été couronnée par le prix Nobel de chimie en 1996 pour Kroto, Curl et Smalley.
Caracteristiques
Les fullerènes présentent un ensemble de propriétés physico-chimiques remarquables. Ce sont des semi-conducteurs, mais leur conductivité peut être radicalement modifiée par dopage (ajout d'atomes étrangers). Le C60 pur est un solide moléculaire mou, de couleur noire. Il est surnommé "footballène" en raison de sa forme. Les fullerènes sont de puissants accepteurs d'électrons, capables de capturer jusqu'à six électrons en solution. Ils présentent une grande stabilité thermique et une résistance mécanique élevée. Sous haute pression, le C60 peut se transformer en diamant. Leur cage creuse permet d'emprisonner des atomes métalliques (comme le lanthane ou l'azote) ou de petites molécules (comme H2 ou H2O), créant des composés aux propriétés uniques, comme les supraconducteurs à base de fullerènes dopés au potassium (K3C60). Les nanotubes de carbone, une forme dérivée, possèdent une résistance mécanique exceptionnelle et une conductivité électrique et thermique remarquable selon leur chiralité.
Importance
L'importance des fullerènes est immense et multidisciplinaire. Scientifiquement, ils ont inauguré l'ère de la nanotechnologie du carbone, démontrant que des nanostructures bien définies pouvaient exister et être manipulées. Ils ont enrichi la chimie organique et inorganique, servant de modèles pour étudier l'aromaticité en trois dimensions. Leurs applications potentielles sont vastes : en électronique, comme composants de transistors à molécule unique ou de cellules photovoltaïques organiques ; en médecine, comme vecteurs de médicaments, agents de contraste pour l'IRM ou photosensibilisateurs pour la thérapie photodynamique contre le cancer ; en science des matériaux, comme additifs pour renforcer les polymères, lubrifiants solides ou matériaux de stockage d'hydrogène. Les nanotubes de carbone, en particulier, sont étudiés pour créer des matériaux composites ultra-résistants, des écrans flexibles et des fils supraconducteurs. Les fullerènes ont ainsi créé un pont entre la chimie fondamentale et les technologies de pointe.
