Buckyball

Fullerène

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 ».

Propriétés

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.

Buckyballes

Buckminsterfullerène

Le buckminsterfullerène (code IUPAC : (C60-Ih)[5,6] fullerène) est la plus petite molécule de fullerène dans laquelle deux pentagones partagent 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 C₆₀ 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 C₆₀ est d’environ un nanomètre (nm). Le diamètre du noyau de la molécule C₆₀ est d’environ 0,7 nm.

La molécule C₆₀ a une longueur de liaison chimique de 2. La liaison annuaire 6:6 (entre deux hexagones) peut être considérée comme une liaison covalente et est plus courte que les liaisons 6:5 (entre un hexagone et un pentagone).

Buckyballe de bore

La possibilité qu'un type de buckyballe formée d'atomes de bore au lieu du carbone habituel existe a été avancée par des chercheurs de l’Université de Rice. La structure B-80 serait théoriquement plus stable que celle du C₆₀ . L'une des raisons avancées par les chercheurs est que le B-80 est plus proche de la structure du dôme géodésique popularisé par Buckminster Fuller et est formé de triangles plutôt que d'hexagones.

Variétés

Le C₇₀ est un autre fullerène commun, mais des fullerènes avec 72, 76, 84 et même jusqu’à 100 atomes de carbone peuvent être obtenus.

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.

Le plus petit fullerène est le dodécaèdre, C₂₀. Il n’y a pas de fullerènes avec 22 sommets. Le nombre de fullerènes C_2n augmente avec n=12, n=13, n=14, etc. en proportion à n. Par exemple, il y a 1 812 fullerènes non-isomorphiques C₆₀. Une forme de C₆₀, un fullerène icosaèdre tronqué, n’a pas de paire de pentagones adjacents (le plus petit fullerène de ce type). Il y a 214 127 713 fullerènes non-isomorphiques C₂₀₀ et 15 655 672 fullerènes qui n’ont pas de pentagones adjacents.

Diffraction

En 1999, des chercheurs de l'Université de Vienne^[1] montrent que la dualité onde-particule s'applique également à des macro-molécules telles que le fullerène.

Histoire

L’existence du C₆₀ avait été prédite par Eiji Osawa, de l’Université de technologie 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 vaporisent un disque de graphite par ablation laser et mettent 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 aux 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 (par exemple, dans la suie de bougies).

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.

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.

Variations

Depuis la découverte des fullerènes en 1985, les variations structurelles des fullerènes découverts vont au-delà des fragments eux-mêmes. Par exemple, il y a des :

• buckyballes : le plus petit est le C₂₀ et le plus commun est le C₆₀ ;
• nanotubes : tubes creux de très petites dimensions, ayant une ou plusieurs parois, avec des applications potentielles dans l’industrie électronique ;
• mégatubes : plus grands en diamètres que les nanotubes et ayant des parois de différentes largeurs, pouvant être utilisés pour le transport de variétés de molécules de différentes tailles ;
• 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 buckyball, proposés comme lubrifiants ;
• dimères liant chaîne et balle : deux buckyballes liées par une chaîne de carbone ;
• anneaux de fullerènes.

Récemment, les fullerènes furent trouvés dans une famille de minéraux connus sous le nom de Shungites en République de Carélie, en Russie.^{[réf. nécessaire]}

Dénomination

C₆₀ 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 que ce dernier est un type de fullerène.

Références

1. ↑ Wave-particle duality of C60 M. Albert T, M. Arndt , O. Nairz, J. Voss-Andreae, C. Keller, G. van der Zouw, A. Zeilinger, Nature 401, 680-682, 14 octobre 1999

Articles connexes

• Nanotechnologie
• Nanomatériaux
• Nanotube
• Buckypaper

Liens externes

• Diffraction and Interference with Fullerenes: Wave-particle duality of C60 (Université de Vienne)

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