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 duxixe 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.

Graphène : vue d'artiste

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Écrit par

  • Patrick BERNIER : ancien directeur de recherche au CNRS, Groupe de dynamique des phases condensées, université de Montpellier-II

Classification

. In Encyclopædia Universalis []. Disponible sur : (consulté le )

Médias

Graphène : vue d'artiste

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Autres références

  • FULLERÈNES ET NANOTUBES

    • Écrit par Arnaud HAUDRECHY
    • 266 mots

    Mis en évidence en 1985 et abondamment décrits par Richard Smalley, Robert Curl et Harold Kroto (qui seront récompensés pour cette découverte par le prix Nobel de chimie en 1996), les fullerènes représentent une nouvelle famille de molécules constituées par des atomes de carbone. C'est...

  • CURL ROBERT F. (1933-2022)

    • Écrit par Georges BRAM, Universalis
    • 496 mots

    Robert Curl est un chimiste américain. C'est grâce à sa collaboration étroite avec Harold Kroto et Richard Smalley que les fullerènes ont été découverts.

    Robert Floyd Curl naît le 23 août 1933 à Alice au Texas. Il fait ses études à Berkeley (Californie), où il obtient en 1957 un doctorat...

  • GRAPHÈNE

    • Écrit par Emmanuel BAUDIN, Marie-Laure BOCQUET
    • 2 143 mots
    • 4 médias

    Le graphène est un cristal constitué d'un unique plan d' atomes de carbone répartis régulièrement sur un réseau hexagonal en forme de nid d'abeilles. Il constitue la brique élémentaire de nombreuses autres formes (allotropes) du carbone : le graphite est un empilement tridimensionnel...

  • KROTO HAROLD WALTER (1939-2016)

    • Écrit par Georges BRAM
    • 488 mots

    Physicochimiste britannique né le 7 octobre 1939 à Wisbech (Cambridgeshire, Royaume-Uni) et mort le 30 avril 2016 à Lewes (Sussex, Royaume-Uni). Harold W. Kroto obtient en 1967 un doctorat à l'université de Sheffield. Il commence à enseigner en 1967 à l'université du Sussex à Brighton, où il a été...

  • SMALLEY RICHARD (1943-2005)

    • Écrit par Georges BRAM
    • 479 mots

    Physico-chimiste américain né le 6 juin 1943 à Akron, Ohio (États-Unis). Richard Errett Smalley obtient en 1963 un doctorat à l'université de Princeton (New Jersey). Il est nommé professeur de chimie à l'université Rice à Houston (Texas) en 1971, puis professeur de physique dans la même université...

Voir aussi