FULLERÈNES

Les fullerènes représentent une nouvelle famille de molécules constituées par un assemblage d'atomes de carbone. Le premier fullerène, comportant 60 atomes de carbone (C₆₀), a été mis en évidence en 1985 par Harold Kroto, Robert Curl et Richard Smalley, qui, pour cette découverte, ont reçu le prix Nobel de chimie en 1996. Ainsi s'est ouvert un nouveau champ de recherche, un nouveau chapitre de la chimie du carbone.

La molécule C₆₀ pourrait bien être l'unité de base d’une chimie spécifique comme l'a été, à la fin duxix^e siècle, la molécule de benzène (C₆H₆), aujourd'hui à l'origine d'une grande partie des matériaux de notre société moderne.

De nouvelles formes de carbone

Jusqu'en 1985, on ne connaissait que des formes non moléculaires du carbone pur : celles du graphite et du diamant. Le graphite est constitué d'un nombre indéterminé d'atomes de carbone assemblés suivant des plans (les graphènes) tous parallèles. Dans un fullerène (comportant un nombre déterminé d'atomes de carbone), les carbones, qui sont tous reliés à trois carbones voisins (comme dans le graphite), forment non plus des surfaces planes, mais une cage fermée. Le premier fullerène observé, la molécule C₆₀, a une forme sphérique, sa structure ressemblant à celle d'un ballon de football comportant vingt hexagones et douze pentagones (il a d'ailleurs aussi été appelé footballène). La molécule C₆₀ présente donc 32 facettes, 60 sommets et 90 arêtes d'une longueur de 0,14 nm (longueur de la liaison carbone-carbone), formant ainsi une sphère d'un diamètre de 0,7 nm. Tous les sommets sont communs à deux hexagones et à un pentagone et donc équivalents. Cette situation donne au C₆₀ un très haut degré de symétrie, qui se traduit dans certains de ses comportements : facilité à tourner sur lui-même, isotropie des propriétés, grande résistance à la compression. Rappelons que le terme fullerène fait référence aux ouvrages architecturaux en forme de coupoles créés par l'Américain Richard Buckminster Fuller (1895-1983). Les autres fullerènes, découverts après 1985, comportant un nombre pair d'atomes de carbone supérieur à 60 (C₇₀, C₇₆, C₈₀...), sont parfois sphériques, parfois tubulaires ou sans forme particulière, mais toujours fermés sur eux-mêmes. De telles cages obéissent à des contraintes géométriques rigoureuses. Leur existence (à l'état métastable seulement) est due à la très grande versatilité d'orientation des liaisons chimiques dans lesquelles peuvent entrer les quatre électrons de valence du carbone. Cette souplesse rend en effet possible la constitution de systèmes cristallins soit unidimensionnels (comme certaines chaînes polymériques linéaires, les carbynes), soit bidimensionnels (comme le graphite), soit tridimensionnels (comme le diamant). Cette situation est tout à fait spécifique au carbone, dont les couches électroniques internes forment, avec les protons et les neutrons, un cœur très compact donnant une grande « liberté » de comportement aux électrons de valence. Ce n'est pas le cas des éléments comme le silicium et le germanium, qui ont un cœur plus volumineux. De ce fait, il ne faut pas a priori s'attendre à ce que d'autres éléments simples puissent former de telles molécules cages.