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이제까지 알려지지 않았던 형태의 탄소인 풀러린을 발견해 화학의 새로운 분야를 개척한 공로로 로버트 F. 컬, 해럴드 W. 크로토와 함께 1996년 노벨 화학상을 공동 수상했다.

스몰리는 셸화학회사에서 연구원으로 일한 뒤, 1973년에 프린스턴대학교에서 박사학위를 받고 1976년부터 라이스대학교에서 교편을 잡은 후 1990년 물리학 교수가 되었다. 스몰리는 라이스대학교 재직 중 동료와 함께 풀러린을 발견했다. 풀러린은 다이아몬드와 흑연에 이어 세번째 순수 탄소이다.

풀러린은 서로 결합해 새장처럼 균형잡힌 대칭구조를 이루는 탄소 원자들의 집단으로, 속이 빈 공 모양을 하고 있다. 표준 분자인 C₆₀에서는 원자들의 결합 상태가 축구공의 이음매와 비슷하다. 기하학적으로 보면 C₆₀은 꼭지점 60개와 면 32개를 가진 다각형인데, 그 중 12개 면은 오각형이고 나머지 20개 면은 육각형이다. 이 분자의 이름은 미국 건축가 R. 버크민스터 풀러가 1967년도 몬트리올 만국박람회를 위해 설계한 지오데식 돔이 이것과 똑같은 구조를 갖고 있었기 때문에, 그의 이름을 따서 '버크민스터 풀러린'이라고 불렀다.