Fullerène

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Exemple de fullerène
Exemple de fullerène

Les fullerènes sont des molécules composées de carbone et pouvant prendre la forme d'une sphère, d'un ellipsoïde, d'un tube ou d'un anneau. Ils sont similaires au graphite, qui est composé de feuilles d'anneaux hexagonaux liés, mais contiennent des anneaux pentagonaux, et parfois heptagonaux, ce qui empêche la feuille d'être plate. Les fullerènes tubulaires sont appelés nanotubes.

Les fullerènes ont été découverts en 1985 par Harold Kroto (Université de Sussex), Robert Curl et Richard Smalley (Université Rice à Houston). Cette découverte leur valut le prix Nobel de Chimie en 1996.

Kroto et al. voulaient mieux comprendre les mécanismes de formation des longues chaînes de carbone dans l'espace interstellaire. A 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.

Pour qu'un fullerène soit stable, les anneaux pentagonaux ne doivent pas être adjacents. D'une façon générale, on définit les fullerènes C2n 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. Il est appelé Buckminsterfullerène en l'honneur de Buckminster Fuller, architecte célèbre qui a inventé le dôme géodésique.

Comme la structure du C60 est identique à celle d'un ballon de football, avec 12 pentagones et 20 hexagones, chaque sommet correspondant à un atome de carbone et chaque côté à une liaison covalente, on l'appelle aussi footballène.

Sommaire

[modifier] Prédiction et découverte

Dans des expériences de faisceau moléculaires, des pics discrets furent observés, correspondant aux molécules avec la masse exacte de 60 ou 70 ou plus d’atomes de carbone. En 1985, Harold Kroto (alors de l’université de Sussex, travaillant maintenant à l’Université d’Etat de Floride), James R. Heath, Sean O’Brien, Robert Curl et Richard Smalley, de l’Université de Rice, 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 la suie de bougie).

En 1991, il fut facile de produire des extraits de la taille du gramme de poudre de fullerène en utilisant les techniques de Donald Huffman et Wolfgang Krätschmer. La purification du fullerène reste un défi pour les chimistes et détermine largement le prix du fullerène. Les fullerènes endohédrales par exemple ont dans leur cage d’atomes des ions et des petites molécules incorporés. Le fullerène a un réactif inhabituel dans beaucoup de réactions organiques comme la réaction de Bingel découverte en 1993.

D’infimes quantités de Buckminsterfullerènes, sous la forme de molécules C60, C70, C76 et C84 sont produites dans la nature, cachés dans la suie et formés par des décharges électriques dans l’atmosphère. Récemment, les Buckminsterfullerènes furent trouvés dans une famille de minéraux connus sous le nom de Shungites en République de Carélie, en Russie.

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 de ballon de football, et il fit l’hypothèse qu’une forme entière de ballon pourrait exister. Son idée fut reprise dans des journaux japonais, mais n’atteignit pas l’audience européenne ou américaine.

[modifier] Dénomination

Le Buckminsterfullerène (C60) fut ainsi nommé d’après le nom Richard Buckminster Fuller, un architecte renommé qui popularisa le dôme géodésique (Géode). Comme les Buckminsterfullerènes avaient la même forme que celle du dôme, le nom fut considéré pertinent. Comme 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.

Pour une illustration de dômes à structure géodésique, voici quelques exemples : la Biosphère (Montréal), l’Eden Project, le jardin botanique du Missouri, le centre scientifique TELUS à Vancouver, le Mitchell Park Horticultural Conservatory, le Gold Dome à Oklahoma City, le Tacoma Dome et le Spaceship Earth de World Disney.

[modifier] Variations

Depuis la découverte des fullerènes en 1985, les variations structurelles des fullerènes découvertes vont bien au-delà des fragments eux-mêmes. Par exemple :

  • Buckyballs : 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 : chaîne, les polymères à deux ou trois dimensions 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 ;
  • Dimers liant ‘chaîne’ et ‘balle’ : deux buckyballs liées par une chaîne de carbone ;
  • Anneaux de fullerènes.

[modifier] Buckyballes

[modifier] Buckminsterfullerène

Le Buckminsterfullerène (le nom 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, cf pentalène). C’est le plus commun en terme 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 nucléus de la molécule C60 est d’environ 0,7 nm.

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

[modifier] La buckyballe de bore

Un nouveau type de buckyballe utilisant les atomes de bore au lieu du carbone habituel avait été prédit par des chercheurs de l’Université de Rice. La structure B-80 est supposée être plus stable que celle du C60 . Une des raisons avancées par les chercheurs est que le B-80 est en fait plus proche de la structure du dôme géodésique popularisé par Buckminster Fuller et utilise des triangles plutôt que des hexagones.

[modifier] Variété de buckyballes

Un autre buckminsterfullerène commun est le C70 , mais des fullerènes avec 72, 76, 84 et même jusqu’à 100 atomes de carbone peuvent être facilement 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|, |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 dodécahédron, C20 . Il n’y a pas de fullerènes avec 22 sommets. Le nombre de fullerènes C2n augmente avec n=12, 13, 14, etc. en proportion à n9. Par exemple, il y a 1812 fullerènes non-isomorphiques C60 . Une forme de C60 , un buckminsterfullerène icosahédron 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 , 15 655 672 qui n’ont pas de pentagones adjacents.

[modifier] Diffraction du fullerène

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.


[modifier] Notes

  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

[modifier] Voir aussi

[modifier] Liens externes

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