Fullerène - Définition

Introduction

Exemple de fullerène

Un fullerène est une molécule composée de carbone pouvant prendre une forme rappelant celle d'une sphère, d'un ellipsoïde, d'un tube (appelé nanotube) ou d'un anneau. Les fullerènes sont similaires au graphite, composé de feuilles d'anneaux hexagonaux liés, mais contenant des anneaux pentagonaux et parfois heptagonaux, ce qui empêche la feuille d'être plate.

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.

Premier fullerène découvert, le C₆₀ est composé de 12 pentagones et de 20 hexagones, chaque sommet correspondant à un atome de carbone et chaque côté à une liaison covalente. Il a une structure identique au dôme géodésique ou à un ballon de football. Pour cette raison, il est appelé « buckminsterfullerène », en l'honneur de Buckminster Fuller qui a conçu le dôme géodésique, ou « footballène ».

Historique

L’existence du C₆₀ 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, Kroto et al. voulaient mieux comprendre les mécanismes de formation des longues chaînes de carbone dans l'espace 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. En 1985, Harold Kroto, James R. Heath, Sean O’Brien, Robert Curl et Richard Smalley découvrirent le C₆₀, 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.

C₆₀ et d’autres fullerènes furent plus tard observés en dehors des laboratoires : d’infimes quantités de fullerènes, sous la forme de molécules C₆₀, C₇₀, C₇₆ et C₈₄, sont produites dans la nature, dans la suie lors des combustions et dans les éclairs à travers l’atmosphère. La présence des fullerènes C₆₀ et C₇₀ dans l'espace interstellaire 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 Donald Huffman et Wolfgang Krätschmer. Au XXI^e siècle, 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.

Propriétés

Structure

Pour qu'un fullerène soit stable, les anneaux pentagonaux ne doivent pas être adjacents. D'une façon générale, on définit les fullerènes C_2n 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 C₆₀, dont les atomes sont aux sommets d'un icosaèdre tronqué. C'est également le fullerène le plus fréquent.

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.

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 (1,3×10^-11 mg/mL), mais ils peuvent former des suspensions colloïdales et des agrégats, ce qui peut augmenter leur solubilité par un facteur allant jusqu’à 10¹⁶ 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 C₆₀. En voici la description :

La production d'un faisceau incident de C₆₀ s'effectue par sublimation à des températures entre 626,85 °C et 726,85 °C. Du fait du poids des molécule de C₆₀, 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 SiN_x contenant des trous de 50 nm de large espacés de 100 nm), les molécules de C₆₀ 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 C₆₀ 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 C₇₀. 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.