ALTRE PROPRIETA' DEI  FULLERENI (2)

Endofullereni. Quasi simultaneamente alla scoperta dei fullereni si trovò anche che queste specie a gabbia possono funzionare da ospiti, incapsulando una varietà di specie come atomi, piccole molecole o ioni all'interno della cavità, formando così delle specie dette fullereni endoedrici che vengono indicati con una simbologia del tipo M@C_2n. Nello stesso gruppo di Kroto si trovarono indicazioni dell'esistenza di LaC₆₀ in uno spettro di massa preparato per vaporizzazione laser di un campione di grafite impregnata di LaCl₂ (Heath J, et al J. Am. Chem. Soc. 107, 7779, 1985).            E' interessante notare che l'esistenza della specie N@C₆₀ (T.A. Murphy, T. Pawlik, A. Weidinger, M. Hohne, R. Alcala, J.M. Spaeth, Phys. Rev. Lett., 1996, 77, 1075), il primo esempio di incapsulamento di un atomo non metallico, in cui è completamente ingabbiato e isolato un azoto atomico, mostra che la superficie interna della cavità fullerenica, in contrasto con quella esterna, è chimicamente inerte (Figura). 

La reattività dell'N@C₆₀ verso i nucleofili è la stessa del C₆₀ vuoto e lo spettro di risonanza paramagnetica elettronica (EPR, Electronic Paramagnetic Resonance) in soluzione indica anche che la posizione dell'atomo di azoto è al centro della sfera fullerenica.

Riscaldando il fullerene cristallino a 650 °C e a una pressione di 3000 atmosfere si produce circa lo 0.1% di complesso che incorpora elio, neon, argon, kripton o xenon. L'incorporazione dello Xenon ha permesso, tra le altre cose, di scoprire che questo elemento è disposto simmetricamente nel C₆₀ ed eccentricamente nel C₇₀. 

Lo spazio interno delle cavità fullereniche è piuttosto unico in quanto è un vuoto in scala nanometrica, che varia da ca. 0.4 a 1.0 nm in diametro passando da C₆₀ a C₂₄₀, tenendo in conto il raggio di van der Waals del carbonio (0.17 nm). 

a) Direttamente nel reattore ma in presenza della specie atomica da intrappolare;

b) Trattamento ad alte temperature e pressioni dei fullereni puri con i gas nobili e l'azoto;

c) Usando fasci di ioni o atomi veloci;

d) Apertura della gabbia con un approccio di tipo chimico.

Nell'ultimo approccio si usano reazioni di chimica organica che provocano l'iniziale rottura di legami s e p sulla gabbia e alla fine ricostruiscono la struttura fullerenica (il cosiddetto metodo di ‘chirurgia molecolare’, illustrato in Figura).

Sono stati preparati molti derivati fullerenici. La dimensione della cavità presente nel C₆₀ consente l'inserimento di qualunque elemento della tavola periodica (vedi Figura). Alcuni esempi relativi a diverse gabbie fullereniche sono: Hf, Ti, U, U₂, Zr in C₂₈; U in C₃₆; K, La, U in C₄₄; Cs in C₄₈; U in C₅₀; U₂ in C₅₈; Ca, CCl₂, Co, Cs, Fe, He, K, La, La₂, Mu, Ne, Rb, U, U₂, Y₂ in C₆₀; La, U in C₇₀; U in C₇₂; La, Sc,Sc₂ in C₇₄; La, La₂ in C₇₆; La₂ in C₈₀; La, La₂, Sc, Sc₂, Sc₃, Y, Y₂ in C₈₂; La, La₂, Sc₂, Sc₃ in C₈₄.

E' interessante stabilire, tra l'altro, la posizione della specie incapsulata all'interno della gabbia. Per esempio lo studio su Y@C₈₂ mediante diffrazione di raggi X da luce di sincrotrone su polveri consente di assegnare il gruppo spaziale monoclino P2₁; i dati sperimentali sono stati usati iterativamente mediante una combinazione di analisi di Rietveld e del metodo di massima entropia (MEM). Si produce una mappa di distribuzione della densità elettronica da un set di fattori di struttura senza usare alcun modello strutturale (Figura, a sinistra; l'analoga mappa per Sc@C₈₂, il primo membro della serie Sc_1-4@C₈₂, è mostrata a destra). 

Le distribuzioni di densità elettronica mostrano dei picchi sul bordo interno delle gabbie  fullereniche corrispondenti ai metalli incapsulati Y e Sc. La natura endoedrica di queste specie è evidente; inoltre si vede che i metalli non occupano una posizione centrale.

Gli atomi metallici interni alla gabbia possono presentare una situazione dinamica. Infatti l'analisi della mappa di densità elettronica per La@C₈₂ (Figura, a sinistra) l'atomo di La non è fermo ma in moto fluttuante in corrispondenza del più vicino anello a sei membri a T ambiente (a differenza delle analoghe specie di Y e Sc nelle stesse condizioni di temperatura).  Un atomo più leggero, come lo Sc, sembra legato più fortemente alla gabbia di uno più pesante come il La. Il metallofullerene La₂@C₈₀ (Figura, a destra) ha la gabbia dell'isomero IPR I_h (prevista anche teoricamente) e i due atomi di La incapsulati, come mostrato schematicamente, sono soggetti ad un moto circolare all'interno.

La ragione di questa preferenza strutturale è dovuta al fatto che la gabbia vuota I_h-C₈₀ ha solo due elettroni  nell'HOMO quattro volte degenere e può ospitare altri sei elettroni a formare un guscio elettronico chiuso stabile in (La³⁺)₂@C⁶⁻₈₀, con un grande gap HOMO–LUMO.

Nuove forme note incapsulano gruppi di atomi (si chiamano cluster-fullereni). Alcuni esempi sono illustrati nelle Figure.

Studi  elettrochimici sulla specie  Dy₃N@C₈₀ mostrano che il suo monoanione presenta un riarrangiamento reversibile indotto dalla carica con passaggio della geometria dell'unità Dy₃N da planare a piramidale. 

Sono stati anche condotti molti calcoli teorici per prevedere il possibile incapsulamento di svariate specie molecolari o ioniche. Per esempio, nel sistema (NH₃)_n@C₆₀ i calcoli mostrano che il massimo numero di molecole ospiti può essere sei.

Benchè si intenda applicare normalmente la regola IPR anche ai metallofullereni gli isomeri IPR di queste specie possono differire da quelli dei corrispondenti fullereni vuoti; i trasferimenti elettronici dai metalli alla gabbia può alterare la stabilità dei fullereni. Abbiamo già visto inoltre che la presenza di specie endoedriche è una delle possibili ragioni per l'esistenza di isomeri fullerenici non-IPR (per esempio con eptagoni superficiali).

L'unicità strutturale e delle proprietà elettroniche dei fullereni endoedrici hanno attratto gli interessi di fisici, chimici, biologi e scienziati dei materiali. Le caratteristiche peculiari e le potenziali proprietà chimiche e fisiche sono dettate a) dal trasferimento di elettroni dai metalli alle gabbie e b) dalla posizione e movimento degli ospiti dentro le gabbie. Le posizioni e i movimenti dei metalli variano molto con il tipo di gabbia e il numero di metalli incapsulati. Come controllare questi metalli interni? Agendo sulla superficie esterna delle gabbie, mediante modificazioni chimiche che leghino molecole o gruppi sull'esterno. Un tale controllo degli ospiti interni può aprire la strada al design di interessanti devices molecolari con nuove proprietà elettroniche e magnetiche. 

Eterofullereni. Gli eterofullereni sono fullereni in cui uno o più degli atomi di carbonio che costituiscono la struttura a gabbia sono stati sostituiti da atomi diversi dal carbonio, ossia da quelli che possiamo chiamare eteroatomi. Sono stati preparati e caratterizzati aza-fullereni (v. Hummelen e altri, 1995) e bora-fullereni (v. Muhr e altri, 1996), mentre per alcuni altri eterofullereni sono stati effettuati soltanto calcoli teorici. In Figura sono riportate le strutture di un aza-fullerene radicale e del suo dimero.

Un metodo conveniente di sintesi diretta degli N-eterofullereni si basa sul riarrangiamento del cluster di derivati esoedrici fullerenici tipo imminofullereni e azafulleroidi.  

Per una Review si può consultare: Heterofullerenes, O. Vostrowsky, A. Hirsch, Chem. Rev. 2006, 106, 5191.

Solo un numero limitato di eterofullereni diversi da aza[60]fullereni e aza[70]fullereni è stato descritto in letteratura; la maggior parte dei lavori ha riguardato ricerche di "chimica virtuale". 

Sono state individuate specie del tipo C_60-nB_n e C_70-nB_n per n = 1, 2, e 3, e anche C₅₈BN. Calcoli teorici sono stati orientati alle energie degli isomeri possibili: per esempio per C₅₈B₂ ci sono ben 23 isomeri possibile.

Ipotetiche specie C₅₉X (X = O, S) sono state discusse. Inoltre nel 1999 è sta descritta la formazione in fase gassosa di stabili eterofullereni di fosforo,  C₅₉P e C₆₉P. Molte ipotesi sono state avanzate su eterofullereni sostituzionali del tipo C_60-nSi_n. Alcune strutture calcolate sono mostrate in Figura. 

Di questa classe di eterofullereni alcuni sono stati osservati direttamente in fase gassosa. 

Comunque allo stato dell'arte sono ancora i calcoli teorici che fanno la parte del leone; non si sbaglia parlando di "virtual chemistry". 

Una curiosità va segnalata. Pur senza alcuna evidenza sperimentale, si è ipotizzato di incapsulare una molecola di di Buckminsterfullerene in una analoga gabbia di Si₆₀, viste le dimensioni maggiori della seconda. In Figura è illustrata l'ipotetica specie iniziale regolare (a sinistra) e l'evoluzione nella specie rilassata (a destra) che mostra l'abbassamento di simmetria dovuta all'instabilità di un tale endofullerene.

Reattività dei fullereni. C₆₀ è una molecola reattiva che può dar luogo a diverse reazioni. E’ stata ridotta a dare C₆₀H₁₈ e C₆₀H₃₆, metilata a dare C₆₀(CH₃)₆ e bromurata a C₆₀Br₂₄. Un problema che si incontra nel funzionalizzare C₆₀ è il gran numero di isomeri possibili in questi derivati. Per esempio, C₆₀H₂  ha ben 59 isomeri.  

E' qui sotto illustrata (Figura) una  breve panoramica dei prodotti fullerenici principali.

Abbiamo già detto della maggior parte di queste classi di prodotti.  Meno si è parlato dei derivati esoedrici. Le reazioni principali sono addizioni nucleofile. La prima addizione avviene comunque al livello del legame 6,6. 

Numerose reazioni possono essere effettuate per funzionalizzare il C₆₀; queste portano alla produzione di numerosi derivati con le più diverse proprietà chimico-fisiche. E' un settore molto esteso e attivo della chimica organica, che non possiamo sviluppare qui. Rimandiamo alla Review:  [60]Fullerene chemistry for materials science applications, M. Prato, J. Mater. Chem., 1997, 7(7), 1097. 

Per una corretta classificazione univoca delle posizioni atomiche dei fullereni C₂₀-C₁₂₀ la IUPAC ha pubblicato le Numbering Rules 2005. NUMBERING OF FULLERENES (IUPAC Recommendations 2005), F. Cozzi, W. H. Powell, and C. Thilgen, Pure Appl. Chem., Vol. 77, No. 5, pp. 843–923, 2005. Un esempio per C₆₀-I_h è illustrato in Figura.

I fullereni formano molti composti con complessi metallici. Una ampia panoramica è descritta in:  Reactions of Transition Metal Complexes with Fullerenes (C60, C70, etc.) and Related Materials, Alan L. Balch, Marilyn M. Olmstead, Chem. Rev. 1998, 98, 2123-2165.

Il grande fascino dei fullereni e derivati nasce dalla vasta gamma di possibilità che essi offrono.  C₆₀ offre immense possibilità nella sintesi organica. Sono inoltre di interesse l’impiego in catalisi e in chimica organometallica e come parti di strutture polimeriche.  

L’attacco di complessi elettron-ricchi di Pt(0)-fosfine su C₆₀ porta a prodotti in cui Pt si lega a due atomi di carbonio della gabbia (Figura, sinistra). Analoga interazione si osserva per  (h²-C₆₀)Ir(CO)Cl(PPh₃)₂.5C₆H₆ (Figura, destra). L'atomo di Ir è legato al fullerene a un legame C-C tipo 6,6. La geometria del fullerene è perturbata in vicinanza del sito di addizione e gli atomi C coordinati all'iridio sono spostati dalla loro posizione normale di ca. 0.3 Å.

I composti precedenti presentano legami diretti M-C₆₀. L'interazione tra complesso e gabbia fullerenica può avvenire attraverso atomi a ponte. La struttura di C₆₀O₂OsO₂(4-tert-butilpiridina)₂  è mostrata in (Figura, sinistra). Nella struttura di C₆₀S₂Fe₂(CO)₆ (vedi Figura, a destra) il legame originale S-S presente nel complesso dinucleare S₂Fe₂(CO)₆ è stata definitivamente rotto e i due atomi di zolfo si sono legati a un lato 6,6.

In analogia con l’interazione h⁶ degli areni con i metalli di transizione ci si poteva aspettare la formazione di addotti analoghi, utilizzando una faccia esagonale di C₆₀. Ciò non si verifica con un singolo metallo, per via dell’orientazione divergente del sistema pp del fullerene (Figura, sinistra), ma si possono avere interazioni costruttive utilizzando un cluster come Ru₃(CO)₁₂, che porta all’addotto Ru₃(CO)₉(C₆₀) (Figura, destra).

Proprietà e Applicazioni. Subito dopo la scoperta del fullerene si pensò che questa molecola potesse avere numerose applicazioni pratiche; a circa 30 anni di distanza, molte di queste speranze sono ancora vive. Nel sito dell'United States Patent and Trademark Office apparivano oltre 500 brevetti nel 2000 elencati sotto il nome 'fullerene'. Tuttavia, molte aspettative per ora non si sono concretizzate. Si citano alcuni sviluppi che sembrano avere buone prospettive.

Superconduttori. - In una parte precedente si è accennato ai sali del fullerene che hanno proprietà superconduttive (ad esempio il Rb₂CsC₆₀, con T_c di 28 K). Le ricerche attuali mirano ad aumentare ulteriormente la temperatura alla quale questi materiali si comportano da superconduttori (vedi link per un approfondimento).

Inibitori di HIV proteasi. - Il C₆₀ e i suoi derivati potrebbero essere utilizzati come agenti diagnostici o terapeutici in medicina. Per esempio, derivati del C₆₀ sono studiati come potenziali inibitori dell'enzima proteasi specifico per il virus 1 della immunodeficienza umana (HIVP, Human Immunodeficiency Virus Protease;  Friedman e altri, 1993). Il sito attivo di questo enzima può essere descritto come un cilindro contornato quasi esclusivamente da amminoacidi idrofobici, con l'eccezione di due residui di acido aspartico che catalizzano l'attacco dell'acqua sul legame peptidico del substrato.

Agenti di contrasto per l'MRI (Magnetic Resonance Imaging).- Si possono usare  metallofullereni endoedrici tipo M@C₆₀ per MRI. Alcuni ioni metallici, come Gd³⁺, vengono utilizzati come agenti di contrasto nella risonanza magnetica nucleare (NMR), in quanto le loro caratteristiche paramagnetiche permettono di migliorare la definizione dell’immagine di risonanza ottenuta. Inserendo questi ioni all’interno del fullerene si ottengono derivati idrosolubili quali Gd@C₆₀(OH)_x e Gd@C₆₀[C(COOH)₂]₁₀, che permettono una maggiore precisione e risoluzione dell’immagine di risonanza garantendo al tempo stesso l’assenza di tossicita da gadolinio libero. La struttura fullerenica impedisce che i metalli confinati nella cavità vengano rilasciati, poiche l’energia richiesta per la rottura della struttura sferica e tale da non poter avvenire nelle normali condizioni di utilizzo.  

Proprietà ottiche. - I fullereni sono dotati di proprietà di limitazione ottica. In altre parole, sono molecole in grado di svolgere un'azione protettiva nei confronti degli effetti nocivi della radiazione luminosa ad alta intensità (Tutt e Kost, 1992). Recentemente sono stati preparati e sperimentati dei prototipi di limitatore ottico a base di derivati fullerenici dispersi in matrice vetrosa, che si sono dimostrati molto promettenti per la protezione, tanto di sensori ottici artificiali, quanto dell'occhio umano, dagli effetti devastanti della luce laser ad alta intensità (Brusatin e Signorini, 2002). 

Inoltre il sistema p-coniugato del fullerene sembra ideale per applicazioni NLO. Le molecole con marcate proprietà NLO sono spesso caratterizzate dalla presenza di un gruppo elettron-donatore e di un gruppo elettron-attrattore alle due estremità di una catena p coniugata, generando un sistema 'push-pull'. 

Dispositivi fotovoltaici. - Derivati solubili del C₆₀, in miscela con polimeri coniugati semiconduttori - ad esempio poli(fenilene)vinilene, politiofene -, sono stati utilizzati con successo per preparare dispositivi a base organica che hanno raggiunto efficienze di conversione fotovoltaica pari al 3.3% (Brabec e altri, 2002). Forse una delle principali applicazioni in cui il C₆₀ ha trovato impiego e stata la produzione di celle solari organiche, in particolare le cosiddette celle Bulk heterojunction. Tali dispositivi sono assemblati preparando una soluzione contenente i due componenti (normalmente un polimero donatore e un accettore fullerenico) che viene allogiata lasciando che le due fasi si separino. I due componenti mediante self-assembly formano un network interpenetrato che collega i due elettodi. La morfologia nanostrutturale della bulk heterojunctions risulta difficile da controllare, ma è critica per le performance fotovoltaiche.

Conduttori "superionici".- Abbiamo visto che il composto Li₄C₆₀ forma polimeri 2D di gabbie fullereniche ed è un materiale altamente conduttivo, più dei conduttori ionici ‘‘standard’’.

Applicazioni magnetiche.- Uno dei soggetti più studiati è la specie ottenuta da reazione di riduzione [TDAE]⁺C₆₀^-  (vedi Figura) che presenta una transizione ferromagnetica a T= 16.1 °K (un ferromagnete organico soft) [TDAE = tetrakis(dimetilammino)etilene].

Ci si aspettano poi risultati interessanti anche dagli studi di magnetismo dei metallofullereni endoedrici, specialmente se vengono incapsulati cluster metallici.

Storage di idrogeno.- Sono stati condotti molti studi teorici sulla possibilità di immagazzinamento di idrogeno mediante i fullereni. I materiali di carbonio sembrano candidati ideali per la loro capicità di adsorbimento, alta area superficiale, microstruttura porosa e bassa densità. Adsorbimento di tipo fisico o chimico possono essere presi in considerazione. Sono stati testati anche i fulleruri (es. di Mg).

Dalla loro scoperta nel 1985 i fullereni hanno trovato applicazioni in differenti campi della scienza. La dimensione, l’idrofobicita, la struttura tridimensionale e la configurazioni elettronica hanno reso queste molecole soggetti attraenti nella scienza dei materiali, nella chimica farmaceutica e nella nanotecnologia. Certo dopo l'enorme entusiasmo iniziale si sono avute fasi di pessimismo sulle possibili applicazioni pratiche. Gli odierni sviluppi di metodologie efficienti per la funzionalizzazione dei fullereni ha ampliato le prospettive di poterne trovare presto utili e consistenti sbocchi applicativi.  

Cipolle di Carbonio

Le Cipolle di carbonio furono osservate per la prima volta al microscopio elettronico dopo l'irraggiamento elettronico di materiale grafitico (Figura). Si trovano alle volte sviluppate su nanotubi di carbonio.

Le cipolle di carbonio sono state prodotte in vario modo: irraggiamento elettronico di particelle di carbonio presenti nella fuliggine degli esperimenti in arco voltaico a scarica, per trattamento termico di nanoparticelle di diamante e per impianto massivo di ioni carbonio in fogli di rame. Una struttura perfettamente sferica può essere ottenuta mediante anealing delle cipolle sopra i 600 K. Le dimensioni di queste cipolle varia da 3 a 50 nm (vedi Figura, modello di cipolla a 3 strati). Sono oggetti più grandi dei tipici fullereni ma di solito più piccoli dei nanotubi di carbonio. Nelle loro strutture elettroniche si manifestano effetti quantistici legati alle dimensioni. 

Le cipolle di carbonio possono essere strutture utili per molte applicazioni come lo storage di idrogeno, come nuovo materiale assorbente, come veicoli per "drug delivery" mediante incapsulamento di altre molecole. Possono anche essere precursori presenti nella nucleazioni di diamanti e, infine, possono esistere nello spazio interstellare.    

Si consiglia di consultare il seguente articolo: Irradiation effects in carbon nanostructures, F. Banhart, Rep. Prog. Phys. 62 (1999) 1181.

Curvatura di strati di carbonio e trasformazioni a cipolle. Una osservazione interessante è la tendenza dei piani grafenici e di nanotubi di carbonio a piegarsi e curvarsi per irraggiamento.  Per esempio, si è osservato per irraggiamento a T ambiente il piegamento di nanotubes (Ugarte 1992, 1993a) o la formazione di piani undulati di grafene in particelle grafitiche (Zwanger et al 1996).  Anche l'rraggiamento ad alte T si verificano gli stessi effetti di bending ma molto più lentamente (Banhart et al 1997). Il risultato più sorprendente della curvatura del grafene è la trasformazione in cipolle perfettamente sferiche (Ugarte 1992). Per il piegamento di strati grafenici è necessaria l'introduzione di difetti tipo pentagoni o eptagoni, creati per irraggiamento.  

Morfologia delle cipolle. Vi sono due specie ben distinte:  

La variazione di dimensioni delle cipolle sferiche è drammatica:  da una configurazione a due shell come C₆₀@C₂₄₀  (Figura) con un diametro di 1.4 nm su fino a una struttura con centinaia di gusci e diametro dell'ordine del micron,  si sono potute osservare tutte le dimensioni possibili. 

Sono stati condotti numerosi calcoli teorici su specie endoedriche a due e anche a tre gusci e più. Sono state confrontate le due specie C60@C180 e C60@C240  concludendo che solo C240 può facilmente ospitare C60.

La determinazione della struttura precisa delle cipolle sferiche è risultata difficile (Zwanger e Banhart 1995), in particolare per via dei possibili difetti delle superfici dei gusci.  Modelli strutturali difettivi teorici, con inclusi pentagoni ed eptagoni, sono stati utilizzati (Terrones 1996, 1997). Un esempio di cipolla sferica (a tre gusci) è stato già presentato in una Figura precedente. Si è perfino sospettato che tutte le cipolle debbano essere di tipo poliedrico e che siano state sempre osservate in microscopia lungo il loro asse quinario (Ru et al 1996), risultando in apparenza pressochè sferiche. Al giorno d'oggi si ritiene che le cipolle siano perfettamente sferiche, mostrando in pochi casi qualche modesta sfaccettatura.  

Formazione e stabilità. Le cipolle si formano con raggi di elettroni aventi energie sopra i 100 keV, con intensità dell'ordine di 100 A cm⁻²; occorre una durata di ore per ottenere cipolle da carbonio amorfo (Banhart 1994, Lulli et al 1995, Zwanger et al 1996). 

Le cipolle sviluppate per irraggiamento contengono lo stesso tipo di difetti da radiazione dei nanotubi, cioè rotture dei piani e dislocazioni. Sorprendentemente tali cipolle difettive non sono stabili  a fine irraggiamento e decadono a dare materiale grafitico disordinato, come mostrato in Figura.  

Questa osservazione mostra la metastabilità delle cipolle di carbonio e la loro natura dissipativa. Apparentemente le cipolle sono l'unica forma stabile del carbonio sotto irraggiamento intenso. 

Un altro aspetto importante delle cipolle è la tensione sulle superfici grafeniche. Quando irraggiate sopra i 300 °C le strutture grafitiche, grazie ad un processo di annealing in situ, riescono ad evitare la formazione di agglomerati di difetti. Cipolle con shell perfettamente coerenti (senza difetti) mostrano una notevole diminuzione nelle distanze tra i gusci, che va accentuandosi verso il centro. Benchè le cipolle siano in uno stato compresso e quindi lontane da un minimo energetico, l'alta stabilità dei gusci coerenti impedisce il rilassamento e il decadimento. La compressione permane a lungo, anche dopo la fine dell'irraggiamento.  La stabilità di tali strutture compresse si può immaginare solo se non esiste diffusione di atomi verso il centro. Una mobilità atomica alta e isotropa renderebbe inevitabile il rilassamento della cipolla. 

L'auto-compressione delle cipolle è un evento unico. La spaziatura tra i gusci (0.28-0.22 nm) è decisamente minore della distanza tra gli strati della grafite  (0.335 nm). Il modulo di compressione estrapolato da 0.28 nm (36 GPa) a 0.22 nm diventa prossimo a 100 GPa e ancora più alto al centro della cipolla. Lo sforzo tensivo in ogni strato dovrebbe essere enorme. Quando due gusci si avvicinano a una distanza minore di quella di equilibrio (0.335 nm) è attesa una trasformazione del tipo di legame del carbonio da sp² a sp³. Diminundo la distanza aumentano sempre più i legami sp³ inter-layer (probabilmente solo per un tempo breve). Questo meccanismo può ridurre la pressione effettiva al centro della cipolla. Dal guscio esterno vengono persi atomi nell'irragiamento (sputtering), mentre i gusci interni si possono solo contrarre e un flusso di atomi si muove verso la superficie. La migrazione è governata dal gradiente di pressione nella cipolla ed è quindi diretto radialmente verso la superficie. La pressione che si realizza è sufficiente alla nucleazione del diamante (vedi Figura).

Dopo la nucleazione di un cristallo stabile di diamante la cipolla circostante rilassa fino alla distanza di equilibrio tra gli stati (tipo grafite), a causa del collasso del nucleo, dovuto alla maggior densità del diamante  (3510 kg m⁻³) rispetto alla grafite (2250 kg m⁻³).

Infine, citiamo che le cipolle di carbonio possono inglobare cristalli di materiali vari.  Ad esempio si possono incapsulare cristalli di metalli per irraggiamento elettronico ad alte T (in Figura cristalli di ferro, cobalto e oro).