Cienciaes.com : Fullerènes et autres merveilles du carbone. Nous avons parlé avec Fernando Langa.

L’équipe de balle

Généralement, cela n’attire pas l’attention de voir une équipe de cinq personnes – comme celle que vous pouvez voir sur l’image de droite – avec un ballon de football dans les bras. Ce qui est frappant, c’est que parmi eux, il y a trois lauréats du prix Nobel de chimie en 1996. Bien sûr, ce ne sont pas des footballeurs et ils ne sont pas non plus en âge de jouer dans la ligue des stars, aussi étrange que cela puisse paraître. , il y a un lien avec ce sport car ensemble ils ont découvert l’existence d’une molécule énigmatique dont la forme rappelle celle d’un ballon de football battu. La molécule est connue sous le nom de « fullerène », même si, comme le dit notre invité d’aujourd’hui dans Talking with Scientists, Fernando Langa, professeur de chimie organique à l’Université UCLM“S’il avait été découvert en Europe, ils l’auraient appelé futboleno“.

La relation entre l’équipement photographique et Fernando Langa de la Puente est également lié aux fullerènes car, en tant que directeur du Institut des Nanosciences, Nanotechnologies et Matériaux Moléculaires de l’ UCLM Il consacre sa vie à la recherche des propriétés et au développement de nouveaux matériaux moléculaires à base de fullerènes et de nanotubes de carbone, en particulier dans les nouvelles cellules solaires organiques. Au cours de l’interview, Fernando Langa nous raconte à quoi ressemblent les fullerènes et les recherches menées dans son Institut.

En complément de l’interview, nous allons vous raconter ici l’histoire de la découverte des fullerènes.

La découverte des fullerènes.

Permettez-moi, pour commencer, de vous présenter l’équipe qui est le protagoniste de l’histoire : la photo a été prise dans le jardin devant le Space Science Building de la Rice University, à Houston, au Texas. Les membres de l’équipe sont, de gauche à droite, Sean O’Brien, Richard Smalley, Robert Curl, Harry Kroto et James Health.

L’histoire de ces peuples entretient à bien des égards une relation très particulière avec le carbone, un merveilleux élément chimique. Rappelons que les atomes de carbone sont la base de tout être vivant, y compris nous, et pour cette seule raison il suffirait de le placer en position d’honneur par rapport au reste des éléments chimiques. Les scientifiques de tous âges ont étudié le carbone lorsqu’il se combine avec d’autres atomes. La diversité des composés pouvant être créés est telle qu’ils constituent une source inépuisable d’idées pour la recherche scientifique. En revanche, à l’état pur, jusqu’à la seconde moitié du XXe siècle, seules deux manières de regrouper les atomes de carbone étaient connues : le graphite et le diamant. Le graphite est facile à trouver, vous l’avez à portée de main, dans la mine de vos crayons. Le diamant, en revanche, est un joyau d’une telle beauté que beaucoup sont prêts à mettre leur vie en danger pour l’obtenir. Personne ne pouvait alors soupçonner qu’un élément chimique si commun et si étudié réservait bien des surprises dans sa forme la plus pure.

Chaînes de carbone dans les profondeurs cosmiques.

Avant 1984, le chimiste britannique Harry Kroto étudiait, en collaboration avec des radioastronomes canadiens, l’existence de certains composés carbonés qu’il avait lui-même détectés dans l’espace interstellaire. Dans sa tête se trouvait l’idée que ces molécules longues et flexibles avaient été créées dans les atmosphères riches en carbone qui entourent les étoiles géantes rouges. C’était une hypothèse très audacieuse mais Kroto était convaincu qu’elle pourrait être prouvée s’il parvenait à reproduire en laboratoire les conditions extrêmes qui règnent dans les étoiles.

Imiter l’environnement qui existe dans les régions stellaires est très complexe ; il faudrait pour commencer se procurer un instrument capable de chauffer les échantillons de plusieurs dizaines de milliers de degrés. Pourtant, la visite de Robert Curl, chercheur à l’Université Rice de Houston, Texas, en mars 1984, lui donnera les clés nécessaires pour y parvenir. Robert Curl et son collègue Richard Smalley effectuaient des recherches sur les semi-conducteurs et possédaient dans leur laboratoire la machine dont Kroto avait besoin pour imiter les conditions des étoiles. Dans leurs expériences, ils ont utilisé un laser puissant capable d’émettre des impulsions lumineuses d’une telle énergie qu’il a réussi à augmenter la température de l’échantillon éclairé de plusieurs dizaines de milliers de degrés jusqu’à le vaporiser complètement. La machine était connue sous le nom d’AP2 et Kroto proposait au visiteur de l’utiliser pour tester ses théories sur la formation de chaînes carbonées dans les atmosphères stellaires.

L’expérience.

Un an plus tard, Curl et Smalley décident de réaliser l’expérience dans leur laboratoire et en parlent à Harry Kroto. Harry n’hésita pas un seul instant, il emprunta de l’argent à sa famille pour le billet pour les Etats-Unis et se présenta à Houston quelques jours plus tard. Comme il l’a lui-même déclaré un jour : «J’avais une chose claire dans ma tête. Cela faisait longtemps que j’attendais de faire mon expérience, trop longtemps pour laisser les autres le faire.». Les trois chercheurs, accompagnés des doctorants Sean O’Brien, James Health et Yuan Liu (ce dernier n’est pas sur la photo), ont focalisé le laser sur un échantillon de graphite et en quelques secondes l’échantillon s’est vaporisé dans une atmosphère inerte d’hélium. Le gaz carbonique commença à se refroidir et les atomes se rejoignirent, créant les composés dans lesquels Kroto espérait trouver la marque des composés stellaires. Les molécules ainsi formées passaient au spectrographe pour déterminer la masse des différents agglomérats. C’est ainsi que les « longs serpents carbonatés de Kroto » ont été détectés, selon les mots de Smalley. Mais les résultats ont montré quelque chose d’inattendu : un pic sur le graphique indiquait qu’une molécule de 60 carbones était beaucoup plus abondante que les autres. Il y avait également un deuxième pic, de moindre intensité, indiquant la présence d’un agglomérat de 70 carbones.

La forme étrange de la molécule.

Les chercheurs ont été étonnés du résultat : si la formation de chaînes avait été également probable, il devrait y avoir à peu près le même nombre d’ensembles de 58, 60 et 62 atomes, cependant, la molécule 60 était quarante fois plus abondante que les autres. était-ce une molécule ? Le spectrographe de masse indique combien d’atomes de carbone contient l’ensemble mais n’indique absolument rien sur la manière dont ces atomes sont disposés.

Au cours des jours suivants, le groupe bouillonnait d’idées qui n’aboutissaient pas vraiment à une solution mais qui peu à peu s’en rapprochaient. Ils essayèrent des formules de toutes sortes et, après de longues discussions, ils arrivèrent à la conclusion qu’il s’agissait d’une structure sphérique. Certains membres de l’équipe se souvenaient du dôme Goedesic que l’architecte Buckminster Fuller avait construit à l’Expo 67 de Montréal ; il leur semblait que la molécule pouvait avoir une structure similaire. Finalement, Smalley a réussi à créer une structure composée de vingt hexagones et douze pentagones qui contenaient ensemble les 60 atomes détectés dans la molécule de l’expérience. Pour s’en assurer, Smalley a appelé le mathématicien Bill Veech et lui a demandé si une telle structure lui semblait familière. La réponse a été immédiate : «Je pourrais vous expliquer ça de plusieurs manières, mais ce que vous avez les gars, c’est un ballon de foot“.

L’origine du nom « fullerène ».

Les chercheurs ont décidé de nommer la nouvelle molécule « fullerène » en l’honneur de l’architecte Buckminster Fuller qui les avait inspirés. Dix ans après la publication de cette découverte dans la revue Nature, Kroto, Curl et Smalley ont reçu le prix Nobel de chimie (le comité Nobel interdit d’en attribuer plus de trois, le reste de l’équipe a donc été laissé de côté).

Les fullerènes et d’autres structures découvertes plus tard, comme les nanotubes et le graphène, possèdent des propriétés extraordinaires qui font aujourd’hui l’objet de recherches de haut niveau. Un endroit où ces enquêtes sont menées est le Institut des Nanosciences, Nanotechnologies et Matériaux Moléculaires de l’ UCLM de la UCLM. Aujourd’hui, nous avons parlé avec votre directeur Fernando Langa de la Puenteprofesseur de chimie organique à la Faculté des Sciences de l’Environnement et de Biochimie de l’Université de Castille-La Manche, à Tolède.
Nous vous invitons à l’écouter.

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Groupe de Nanomatériaux à base de fullerènes et de nanotubes de carbone

Institut des Nanosciences, Nanotechnologies et Matériaux Moléculaires de l’ UCLM