Fullerène — structure, histoire et usages
Molécules fermées de carbone (C60, C70...) formant sphères, ellipsoïdes ou tubes. Découverts en 1985, appelés buckyballs et nanotubes, utilisés en matériaux, électronique et recherche biomédicale.
Les fullerènes constituent une famille d'allotropes du carbone composée de molécules à structure creuse — sphériques, ellipsoïdales ou tubulaires — formées exclusivement d'atomes de carbone. La forme la plus connue est le C60, souvent surnommée « buckyball » parce qu'elle évoque la surface d'un ballon de football. Découverts en 1985 par Harold Kroto, Robert Curl et Richard Smalley, ces composés ont ouvert un vaste champ de recherche en chimie, physique et science des matériaux.
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Structure et propriétés fondamentales
Un fullerène sphérique tel que le C60 a la géométrie d'un icosaèdre tronqué : il comporte 12 pentagones et 20 hexagones assemblés pour former une coquille fermée. Les atomes de carbone sont liés majoritairement en hybridation sp2, ce qui confère aux fullerènes une forte stabilité électronique et une grande symétrie. D'autres tailles existent (C70, C76, C84, etc.) ainsi que des dérivés fonctionnalisés. Une règle structurelle utile est la "règle des pentagones isolés", qui favorise la stabilité pour certaines tailles de fullerènes.
Production et isolement
Les fullerènes sont produits par des méthodes qui génèrent des condensats de carbone chauds, puis isolés de la suie formée. Les procédés classiques incluent la décharge par arc électrique entre électrodes de graphite en atmosphère inerte ou l'ablation laser d'une cible carbonée. D'autres techniques utilisent la combustion contrôlée ou le craquage thermochimique d'hydrocarbures. L'extraction se fait ensuite par dissolution sélective et séparation chromatographique pour obtenir des fractions riches en C60, C70 ou autres.
Usages, recherches et applications
Les fullerènes présentent une combinaison de propriétés électriques, optiques et chimiques qui en font des candidats pour de nombreuses applications. Parmi les domaines explorés :
- Matériaux et nanotechnologie : renforcement, lubrifiants secs, et composants pour composites.
- Électronique et optoélectronique : éléments actifs en cellules solaires organiques, photodétecteurs et transistors à couche mince.
- Physique fondamentale : dopage de fullerènes conduisant à des états métalliques ou supraconducteurs et études de transport électronique.
- Biomédecine et chimie médicinale : vecteurs potentiels pour délivrance de principes actifs, agents antioxydants ou pour imagerie, bien que la toxicité et la biocompatibilité fassent encore l'objet d'évaluations approfondies.
Distinctions et faits notables
Les fullerènes se distinguent clairement des autres allotropes du carbone comme le graphite, le diamant et le graphène par leur structure fermée et leur chimie spécifique. Les nanotubes de carbone sont souvent classés dans la même famille car ils peuvent être vus comme des feuillets de graphène enroulés et reliés à des extrémités fermées de type fullerène. Pour leur découverte, Kroto, Curl et Smalley ont reçu le prix Nobel de chimie en 1996.
La recherche sur les fullerènes demeure active : synthèse de nouveaux dérivés, optimisation des procédés d'assemblage à l'échelle nanométrique, étude des interactions avec les biomolécules et le milieu environnemental. Leur combinaison de robustesse chimique et de propriétés électroniques continue d'alimenter des développements tant fondamentaux qu'applicatifs, tout en nécessitant une attention sur les aspects de sécurité et d'impact sanitaire.
Questions et réponses
Q : Qu'est-ce qu'un fullerène ?
R : Un fullerène est une molécule composée entièrement de carbone, sous la forme d'une sphère creuse, d'un ellipsoïde ou d'un tube.
Q : Qui a découvert le fullerène ?
R : Le fullerène a été découvert en 1985 par Robert Curl, Harold Kroto et Richard Smalley à l'Université du Sussex et à l'Université Rice.
Q : Pourquoi le fullerène porte-t-il le nom de Buckminster Fuller ?
R : Il porte le nom de Buckminster Fuller car ses célèbres dômes géodésiques ont une forme similaire à celle des fullerènes sphériques, également appelés buckyballs.
Q : Comment les fullerènes sont-ils fabriqués ?
R : Les fullerènes sont généralement fabriqués en chauffant du graphite dans un arc électrique en présence de gaz inertes tels que l'hélium ou l'argon.
Q : À quoi le C60 fait-il référence ?
R : Le C60 fait référence à une structure rotative d'un type particulier de fullerène qui ressemble à un ballon de football.
Q : À quoi le réseau du C60 fait-il référence ?
R : Le réseau du C60 fait référence à sa structure chimique qui consiste en 60 atomes de carbone reliés entre eux par des liaisons formant des hexagones et des pentagones comme ceux que l'on trouve sur un ballon de football.
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Auteur
AlegsaOnline.com Fullerène — structure, histoire et usages Leandro Alegsa
URL: https://fr.alegsaonline.com/art/36981