Diamant
|
Graphite
|
|
Cliquez sur la molécule de diamant ou de graphite pour l'observer sous toutes ses facettes.
(module externe Chime requis)
|
Le carbone est un des éléments chimiques les plus fréquents. Il est à la base de presque toutes les molécules essentielles à la vie, telles que l'ADN, les protéines et les huiles. Le caractère unique du carbone découle de sa capacité à former des liaisons stables avec lui-même. Les autres éléments préfèrent généralement utiliser des partenaires différents pour établir des liaisons chimiques.
Par conséquent, il peut être surprenant de réaliser que cet élément, qui forme plus de composants chimiques avec certains autres éléments (par exemple l'hydrogène, l'oxygène, l'azote) que les quelque 100 éléments réunis, existe uniquement sous deux formes à l'état pur : le diamant et le graphite. Dans le diamant, chaque atome est entouré de quatre autres carbones, formant un réseau tridimensionnel, alors que le graphite est constitué de plans parallèles d'atomes distribués en hexagones réguliers et accolés les uns aux autres. Ces plans parallèles sont faiblement liés les uns aux autres, ce qui explique la texture friable.
Récemment, nous pensions encore qu'il n'existait que deux formes de carbone à l'état pur.
Pour le diamant, chaque atome de carbone possède quatre liaisons et pour le graphite le nombre de liaisons est de trois. Il suffit de deux liaisons pour permettre la création d'une chaîne d'atomes de carbone.
 |
|
Chaîne carbonée
Cliquez sur une molécule de la chaîne pour l'observer sous toutes les facettes.
(module externe requis)
|
Les premières chaînes carbonées fragiles constituées uniquement de carbone, ont été observées par hasard en 1940 lors d'expériences effectuées par Otto Hahn alors qu'il tentait de créer des atomes plus volumineux et plus lourds par fixation de neutrons. Hahn cherchait à détecter les différences minimes de masse de certains atomes de métaux lourds, évaporés dans un arc à carbone. Lors de l'étude de ses résultats, il remarqua que l'arc produisait également des chaînes carbonées, qui, par pure coïncidence, avaient la même masse que le métal. Hahn essaya différentes électrodes et reporta l'anecdote des chaînes carbonées dans une note, puis continua ses recherches. Ses remarques sur les chaînes carbonées n'ont pas été exploitées dans l'immédiat, c'est pourquoi il a fallu attendre si longtemps avant la découverte de la molécule C60.
Grâce à la radioastronomie, deux nouvelles branches de la chimie des années 1970, l'astro-physico-chimie des astres et l'étude des clusters, ont ouvert la voie à de fabuleuses découvertes. Dans l'espace interstellaire, les signaux radio générés par d'énormes nuages constitués de millions de tonnes de gaz peuvent servir à détecter des molécules. Les chercheurs ont également trouvé d'étranges molécules qui n'avaient jamais été synthétisées en laboratoire ! Pendant ce temps, sur terre, les laboratoires imaginaient comment créer et détecter des agrégats d'atomes, réunis par des liaisons inédites, qui constituaient une nouvelle classe de molécules, appelées clusters. Les clusters sont à mi-chemin entre les molécules et les solides, comme le reflètent leurs propriétés. Les chaînes et les autres agrégats d'atomes de carbone peuvent être considérés comme des clusters.
En Angleterre, dans le Sussex, Harry Kroto et Dave Walton ont synthétisé de longues chaînes carbonées, terminées d'un côté par de l'hydrogène et de l'autre par de l'azote. Ils ont découvert que les analyses spectroscopiques de ces substances montraient des pics d'absorption/émission identiques à ceux observés dans les gros nuages de gaz de notre galaxie, ou voie lactée. Ils ont également détecté des signaux provenant de ces nuages qui indiquaient la présence de chaînes carbonées encore plus longues que celles pouvant être synthétisées sur terre. La concentration de ces longues molécules était nettement supérieure à ce que l'on pouvait penser. Les scientifiques se sont interrogés sur leur provenance.
 |
|
Etoile à carbone (géante rouge)
|
L'explication peut provenir des étoiles, qui génèrent de l'énergie en fusionnant des éléments légers (comme l'hydrogène) avec des éléments plus lourds. Les petites étoiles sont appelées naines blanches et les grosses, géantes rouges. Notre soleil se trouve quelque part entre ces deux extrêmes. On a finalement trouvé l'origine de ces longues molécules de carbone dans les géantes rouges, généralement plus froides et constituées de carbone, qui ont épuisé leur combustible primaire à base d'hydrogène et qui « brûlent » désormais des atomes d'hélium. Ce carbone est ensuite envoyé dans l'espace interstellaire.
L'ancienne croyance qui indiquait que le carbone à l'état pur était uniquement présent dans le graphite ou le diamant a été remise en cause.
Finalement, en 1985, Kroto persuada un collègue américain, Rick Smalley, de collaborer avec lui dans un projet de simulation en laboratoire des conditions nécessaires à l'élaboration de géantes rouges.
Smalley avait élaboré un appareil capable de vaporiser, à l'aide d'un puissant laser, un peu de graphite dans un nuage chaud de particules. Ces vapeurs étaient ensuite refroidies avec un faisceau d'hélium, permettant ainsi aux atomes de se condenser en clusters. Le mélange fut ensuite analysé avec un appareil très perfectionné, appelé spectromètre de masse, qui indiqua la présence de nombreuses molécules d'une masse atomique de 720. Les seuls éléments présents étaient l'hélium et le carbone. L'hélium étant un gaz complètement inerte, il en résulta que les grosses molécules devaient être composées de 60 atomes de carbone, ayant chacune une masse égale à 12. Le pic de 720 sur le graphique produit par le spectromètre de masse était beaucoup plus fort que les pics avoisinants, ce qui signifiait que le C60 pouvait se former et survivre dans l'environnement de haute énergie du spectromètre de masse, où de nombreuses autres molécules se désintègrent (par fragmentation) de manière caractéristique, autorisant ainsi leur identification. Cela pouvait aussi signifier qu'un agencement de 60 atomes de carbone était extraordinairement stable.
 |
|
Une molécule C60 connue sous le nom de fullerène
Cliquez sur la molécule de fullerène pour l'observer sous toutes les facettes.
(module externe Chime requis)
|
Les chercheurs ont dû faire face à un dilemme : le spectre de masse indiquait la présence de la molécule C60, mais les quantités détectées étaient trop faibles pour procéder à une analyse structurelle. Il a fallu se remuer les méninges pour arriver à cette hypothèse géniale mais risquée : les 60 atomes de carbone formaient une structure ressemblant à un ballon de football. De par sa symétrie, très remarquée à l'époque dans certaines constructions de l'architecte Buckminster Fuller, les scientifiques ont appelé cette molécule, le Buckminster Fullerène. Sa formule chimique exacte est très complexe !* Cette molécule est encore appelée fullerène ou footballène (buckyball, en anglais). L'équipe a publié ses travaux dans l'éminente revue scientifique Nature. Finalement, la structure symétrique de la molécule n'étant qu'une hypothèse, il était important de réunir des preuves scientifiques.
Lors des précédentes décennies, des chimistes avaient synthétisé avec acharnement des cages de carbone hautement symétriques (terminées par des atomes d'hydrogène). La structure la plus importante était le dodécaèdrane C20H20. Cette étude avait entraîné tant de réactions qu'aucune autre recherche de plus grande envergure n'avait été menée. Qu'une molécule trois fois plus grosse qu'un dodécaèdrane se forme spontanément en chauffant du graphite relevait presque du domaine du surnaturel. Et pourtant !
C'était vrai, et de grosses quantités de C60 étaient sur le point d'être synthétisées !
|
Activités
Centre
scientifique
Ecoles
Acteurs SEED
