Après le fullerène, le « buckyball » de bore ouvre une nouvelle voie pour les nanomatériaux

En 1985, Harold Kroto, Robert Curl et Richard Smalley mettent en évidence une nouvelle forme allotropique du carbone : le buckminsterfullerène C₆₀. Cette découverte, récompensée par le prix Nobel de chimie en 1996, repose sur la génération de clusters de carbone par vaporisation laser de graphite.

La molécule C₆₀ adopte une géométrie sphérique correspondant à un polyèdre de type icosaèdre tronqué, constitué de 12 pentagones et 20 hexagones. Cette configuration confère au système une stabilité remarquable parmi les structures moléculaires du carbone. Le C₆₀ constitue ainsi le premier représentant identifié de la famille des fullerènes.

Les fullerènes regroupent l’ensemble des structures carbonées en cage fermée. Depuis la découverte initiale, plusieurs homologues ont été identifiés, notamment C₇₀, C₇₆, C₈₄, ainsi que des structures de taille supérieure comprenant plusieurs centaines d’atomes de carbone. Ces systèmes font l’objet de recherches intensives en raison de leurs propriétés électroniques, de leur capacité d’encapsulation et de leurs applications potentielles en nanosciences (stockage de charges, matériaux fonctionnels, photophysique, électronique organique…).

L’émergence des borophènes

Les recherches se sont ensuite étendues à d’autres éléments du tableau périodique, en particulier le bore, dont la chimie électronique présente des analogies partielles avec celle du carbone.

En 2013, l’équipe de Lai-Sheng Wang (Brown University) met en évidence un agrégat planaire de 36 atomes de bore (B₃₆), suggérant l’existence de motifs de type réseau bidimensionnel. En 2014, des structures de type borophène, constituées de réseaux bidimensionnels de bore, sont également mises en évidence. Ces travaux montrent la richesse structurale des clusters de bore, sans toutefois conduire à l’observation d’une cage sphérique stable analogue aux fullerènes carbonés.

Mise en évidence d’un cluster de B80 de type fullerène

Des travaux récents rapportent désormais l’observation expérimentale d’un cluster de 80 atomes de bore (B₈₀), présentant une signature compatible avec une structure de type cage sphérique. Cette identification repose principalement sur des mesures de spectroscopie photoélectronique, comparées à des simulations de structures candidates.

Les résultats ont été publiés dans la revue Chemical Science. Toutefois, l’interprétation structurale demeure discutée. Les calculs de chimie quantique basés sur la théorie de la fonctionnelle de la densité (DFT) ne prédisent pas systématiquement une stabilité suffisante pour une telle architecture.

Cette divergence entre prédiction théorique et données expérimentales suggère soit une limitation des modèles utilisés pour décrire les liaisons dans les agrégats de bore, soit l’existence d’une structure métastable non pleinement décrite par les approches computationnelles usuelles.

Limites de stabilité et perspectives de synthèse

L’équipe impliquée dans ces travaux souligne toutefois que la stabilité chimique du cluster B₈₀ constitue un paramètre déterminant pour envisager une synthèse en quantité macroscopique. Les expériences actuelles sont en effet réalisées en conditions de vide, au sein de sources de clusters.

La réactivité potentielle de ces structures en conditions ambiantes demeure à ce jour non caractérisée. Une réactivité élevée limiterait fortement les possibilités d’isolement, de stockage et d’utilisation technologique.

Des investigations complémentaires sont donc nécessaires, notamment concernant les mécanismes de réactivité et la stabilité hors phase gaz.

Applications potentielles

Les structures en cage de bore suscitent un intérêt particulier en raison des propriétés électroniques spécifiques de cet élément. Parmi les applications envisagées, le stockage de l’hydrogène est fréquemment cité. Les calculs théoriques suggèrent en effet que les cages de bore pourraient présenter des capacités d’adsorption supérieures à celles des fullerènes carbonés, ce qui les positionnerait comme candidats potentiels pour des dispositifs de stockage énergétique.

Cependant, ces applications restent conditionnées à la démonstration de la stabilité des structures et à la possibilité de leur production à grande échelle.