Synthetic Diamond Research вивчає органічні молекулярні взаємодії під мікроскопом.
Вчені давно розробили різні методи виготовлення штучних алмазів, але новий метод дослідників, включаючи команду університету Токіо, пропонує дивовижні переваги. Підготувавши зразки певним чином, перш ніж піддавати їх електронному промені, група виявила, що їх процес не тільки підтримує утворення алмазів, але й захищає органічні матеріали від пошкоджень, які зазвичай завдають таких променів. Цей прорив може відкрити двері для більш вдосконалених методів візуалізації та аналізу.
Традиційно створення алмазів спирається на трансформацію джерел вуглецю в екстремальних фізичних умовах. Сюди входять тиск десятків гігапаскалів та температури, що досягають тисяч Кельвіна, де алмаз залишається термодинамічно стабільним. Інший підхід передбачає хімічне осадження пари, метод, де алмаз фактично нестабільний. На відміну від цього, професор Ейчі Накамура та його колеги з кафедри хімії університету Токіо проводили стратегію низького тиску, яка використовує ретельно контрольоване опромінення електронів, застосовану до молекули вуглецю, відомої як адамантан (c10H16.).
Що робить адамантан особливо перспективним, це його структурна схожість з алмазом. Обидва мають тетраедральну, симетричну вуглецеву рамку з атомами, розташованими в одній просторовій конфігурації. Це робить Адамантан привабливим вихідним матеріалом для виробництва Nanodiamond. Однак успішна конверсія залежить від точного видалення зв’язків C-H Adamantane, щоб дозволити формувати нові зв’язки C-C, тоді як окремі будівельні блоки збираються у тривимірну алмазну решітку. Хоча ця вимога вже була відома в цій галузі,
“Справжня проблема полягала в тому, що ніхто не вважав це можливим”, – сказав Накамура.
Від теорії до спостереження
Раніше мас-спектрометрія, аналітична методика, яка сортує іони відповідно до їх різної маси та заряду, показала, що одноелектронна іонізація може бути використана для полегшення такого розщеплення С-Н. Однак мас -спектрометрія може лише висновок у формуванні структури в газовій фазі і не в змозі виділити продукти від міжмолекулярних реакцій.
Команді було запропоновано контролювати іонізуючу іонізацію електронів-імпульсного адамантану при атомній роздільній здатності за допомогою аналітичної та візуалізації, що називається трансмісійною електронною мікроскопією (TEM), опромінюючими субмікристалістами на 80-200 кілограмових вольтах при 100-296 кельвінах у вакуумі для десятків. Мало того, що метод виявить еволюцію полімеризованого утворення нанодіамонів, але і забезпечить потужні наслідки для потенціалу ТЕМ як інструменту для вирішення контрольованих реакцій інших органічних молекул.
Для Накамури, який протягом 15 років працював над синтетичною хімією та обчислювальними квантовими хімічними розрахунками, дослідження запропонувало можливість прориву. “Обчислювальні дані дають вам” віртуальні “шляхи реакції, але я хотів побачити це очима”, – сказав він. “Однак загальною мудрістю серед спеціалістів ТЕМ було те, що органічні молекули швидко розкладаються, коли ви блищаєте на них електронний промінь. Мої дослідження з 2004 року стали постійною битвою, щоб показати інакше”.
Народження нанодіамонів
Процес давав без дефектів нанодіамди кубічної кристалічної структури, що супроводжується виверженнями водню, до 10 нанометрів діаметром при тривалому опроміненні. Зображення TEM, вирішені часом, проілюстрували уривок сформованих олігомерів, що перетворюються на сферичні нанодіамони, модерувані швидкістю розщеплення C-H. Команда також перевірила інші вуглеводні, які не змогли сформувати нанодіамонди, підкреслюючи придатність Адамантана як попередника.
Отримані результати відкривають нову парадигму для розуміння та контролю хімії в галузі електронної літографії, поверхневої інженерії та електронної мікроскопії. Аналіз перетворення нанодіамонів підтримує давні ідеї, що утворення алмазів у позаземних метеоритах та уранових вуглецевих осадових гірських порід може бути зумовлений опроміненням частинок високої енергії. Накамура також вказував на основу, що передбачає синтезу допедних квантових крапок, необхідних для побудови квантових комп’ютерів та датчиків.
Як останній розділ у 20-річній дослідницькій мрії, Накамура сказав: “Цей приклад синтезу алмазів є остаточною демонстрацією того, що електрони не руйнують органічні молекули, але нехай вони зазнають чітко визначених хімічних реакцій, якщо встановити відповідні властивості в молекулах опромінення”. Назавжди змінюючи гру в полях, що використовують електронні промені для досліджень, його мрія тепер могла б забезпечити бачення вченим до взаємодії з електронним опроміненням.
Довідка: «Швидке, низькотемпературне утворення нанодіамонів за допомогою активації електронно-променевої активації Adamantane C-H» Jiarui Fu, Takayuki Nakamuro та Eiichi Nakamura, 4 вересня 2025 р., Наука.
Doi: 10.1126/science.adw2025
Фінансування: JSPS Kakanhi, JST Presto
Ніколи не пропустіть прорив: приєднуйтесь до інформаційного бюлетеня ScitechDaily.
