How big is Footballène?
1 nanómetro!
Un footballène est une molécule de 60 atomes de carbone assemblés en une cage fermée en forme de ballon, selon le même motif qu'un ballon de football. Son nom complet est le buckminsterfullerène, et sa formule est C60. Il mesure environ 1 nanomètre de diamètre, une valeur mesurée comme la distance entre les centres des footballènes voisins assemblés dans un solide. Un nanomètre est un milliardième de mètre.
Taille
Les 60 atomes de carbone se trouvent à la surface de la cage, qui est creuse. Ses découvreurs ont ensuite trouvé des cages de carbone renfermant des atomes métalliques à l'intérieur. La cage d'atomes de carbone elle-même mesure 0,71 nanomètre de diamètre.
Une molécule n'a pas de bord net, car les électrons entourant ses atomes s'étendent au-delà de leur centre. Chaque footballène occupe donc plus d'espace que sa seule cage d'atomes. Dans les cristaux de C60 solide, les centres des molécules voisines sont espacés de 1,0 nanomètre. Le chiffre de 1 nanomètre donné par l'explorateur correspond à cet espacement.
La cage compte 20 faces hexagonales et 12 faces pentagonales. Les panneaux d'un ballon de football suivent le même motif, tout comme le dôme géodésique que l'architecte américain R. Buckminster Fuller a conçu pour l'exposition universelle de 1967 à Montréal ; la molécule porte d'ailleurs son nom.
Comparaisons de taille
- Environ 80 000 à 100 000 footballènes côte à côte s'étendraient sur la largeur d'un cheveu, qui mesure de 0,08 à 0,1 millimètre de large.
- Un ballon de football est environ 220 millions de fois plus large qu'un footballène. Agrandi par ce même facteur, un ballon de football mesurerait environ 48 000 kilomètres de diamètre, soit presque quatre fois la largeur de la Terre.
- Deux atomes de césium, parmi les plus grands atomes, mis côte à côte, couvriraient la largeur d'un footballène.
La découverte des footballènes
Robert Curl, Harold Kroto et Richard Smalley ont découvert les footballènes en 1985, avec l'aide des étudiants de troisième cycle J. R. Heath et S. C. O'Brien. Ils ont envoyé une impulsion laser intense sur une surface de carbone et ont mélangé les atomes de carbone libérés à un flux d'hélium gazeux. Les atomes se sont assemblés en amas, et les amas de 60 atomes étaient les plus fréquents. Leur stabilité suggérait une forme hautement symétrique.
En 1990, les physiciens W. Krätschmer et D. R. Huffman ont produit du C60 en quantités suffisantes pour être recueillies. Son étude a confirmé la structure en forme de ballon. Curl, Kroto et Smalley ont partagé le prix Nobel de chimie 1996 pour la découverte des fullerènes, la famille de cages de carbone fermées à laquelle appartiennent les footballènes.
Les footballènes dans l'espace
Kroto avait rejoint l'expérience pour comprendre comment pourraient se former les molécules de carbone en forme de chaîne qu'il avait détectées dans l'atmosphère d'étoiles géantes riches en carbone. Peu après la découverte, des scientifiques ont proposé que des footballènes puissent flotter autour de ces étoiles. En 2010, le télescope spatial Spitzer de la NASA en a trouvé des signes convaincants dans l'espace, pour la première fois.
Spitzer a trouvé des footballènes dans Tc 1, un nuage de matière rejeté par une étoile mourante. Cette étoile ressemblait autrefois au Soleil, mais en vieillissant, elle a expulsé ses couches externes. Les astronomes pensent que les footballènes se sont formés dans ces couches de carbone rejetées.
Sources
- Press release: The Nobel Prize in Chemistry 1996. Royal Swedish Academy of Sciences, 1996.
- Raman Spectroscopy of Fullerenes: From C60 to Functionalized Derivatives. Qin et al., Molecules, 2025.
- Thermally Activated Sliding of C60 on Gold. Pierno et al., ACS Omega, 2025.
- Strain-Relief Patterns and Kagome Lattice in Self-Assembled C60 Thin Films Grown on Cd(0001). Wang et al., International Journal of Molecular Sciences, 2021.
- Space Balls (Artist's Concept). NASA Jet Propulsion Laboratory, 2010.
- Law 2: The Ball. International Football Association Board.
- Earth Fact Sheet. NASA, 2024.
- Cesium. PubChem, National Library of Medicine.
- Just How Small Is "Nano"?. National Nanotechnology Initiative.