Les fullerènes ou footballènes sont des molécules comprenant une dizaine à une centaine d’atomes de carbone formant un réseau mixte d’hexagones (6 cotés) et de pentagones (5 cotés) comme dans un ballon de foot. Ces structures sont remarquables car elles forment des cages fermées de forme sphérique, ellipsoïde ou cylindrique.
Le buckminsterfullerène est le footballène à 60 atome de carbone. Ces noms ont été donnés en l’honneur de l’ingénieur-architecte Buckminster Fuller qui avait créé le dôme géodésique ressemblant fortement à la structure des fullerènes.

Fullerènes sphériques

Fullerène ellipsoïde C70

Fabrication

Après des dizaines d’années de théories et de déductions scientifiques, quelques microgrammes de ces molécules ont été synthétisés en 1985 par ablation et vaporisation au laser d’un disque de graphite ultra pur sous une atmosphère réduite de gaz rare (hélium, argon) à des températures supérieures à 2 700°C.
En 1990, Kraetschmer et Huffman découvrent un procédé permettant de synthétiser des quantités plus importantes de fullerènes : par vaporisation d’électrodes de graphite traversées par un arc électrique. Cette avancée a permis à la recherche de travailler sur des échantillons plus significatifs.
D’autres méthodes de fabrication existent telles que la méthode au four solaire. Celle-ci utilise l’énergie des rayons du soleil concentrés par un miroir parabolique. Plusieurs puissances peuvent être délivrées selon la taille du four solaire (2 à 1 000 kW). Mais les quantités fabriquées restent très faibles (100 mg.h^-1).

Les fullerènes doivent être extraits des suies formées par des solvants (toluène) à l’abri de la lumière puis une étape de séparation par chromatographie ou cristallisation fractionnée permet de récupérer les différentes molécules selon leur taille. Leur purification devant être minutieuse, elle détermine pour beaucoup le prix de ces matériaux.

Les chercheurs Curl, Smalley et Kroto ont reçu le prix Nobel de chimie en 1996 pour leurs travaux sur ces matériaux. Leurs recherches ont entraîné de nombreuses réflexions sur les nanotechnologies.

Applications

Les propriétés fondamentales des fullerènes sont loin d’être connues et de nombreuses investigations de la part des chimistes, des physiciens et des ingénieurs sont en cours pour déterminer les applications industrielles de tels matériaux carbonés.
Une chose est sure : leur structure "cage" tend à les orienter vers des utilisations pour capter ou emprisonner des molécules.

Les fullerènes peuvent être déposés sur des capteurs de détection chimique (de gaz par exemple) ou acoustique, sur des systèmes de microbalance utilisant des pièces piezoélectriques. Comme ces matériaux adsorbent les molécules organiques, la fréquence d’oscillation s’en trouve modifiée en fonction de la concentration des espèces adsorbées.

Le domaine des nanotechnologies pourra leur trouver des emplois variés : certains imaginent une application en médecine en tant que transporteur de médicaments à action ciblée, d’autres rêvent à des nano-moteurs et nano-rouages. Mais il est encore trop tôt pour dégager de réelles applications.

Bibliographie

Fabrication methods of fullerenes. A critical review, A. Fonseca, H. Richter, S. C. Emberson, Revue de l’Institut Français du Pétrole, 1994, Vol 49,n°04, p 413-419.

Le carbone dans tous ses états, P. Bernier, S. Lefrant, Gordon and Breach Science Publishers.

Le carbone dans tous ses états, B. Picard, C. Saudemont, http://www.etudes.ecp.fr/physique/illustrations/cristallo_carbone.htm (05/09/2006).