Электронные лучи преобразуют хрупкие молекулы в безупречные наноалмазы, меняя представление о химии на атомном уровне
Учёные из Токийского университета и их коллеги разработали новый подход к формированию искусственных алмазов, обладающий неожиданными преимуществами. Тщательно подготавливая образцы на основе углерода и подвергая их воздействию электронного пучка, исследователи обнаружили, что их метод не только превращает материал в алмаз, но и защищает чувствительные органические вещества от повреждения пучком. Это достижение может проложить путь к совершенствованию методов визуализации и анализа в материаловедении и биологии.
Традиционно производство алмазов предполагает преобразование углерода при огромных давлениях и температурах, когда алмазная форма стабильна, или с помощью химического осаждения из газовой фазы, когда она нестабильна. Профессор Эйити Накамура и его команда с химического факультета Токийского университета пошли по другому пути. Они протестировали метод низкого давления с использованием контролируемого электронного облучения на молекуле, известной как адамантан ( C10H16 ) .
Адамантан имеет углеродный каркас, повторяющий тетраэдрическую структуру алмаза, что делает его привлекательным исходным материалом для формирования наноалмазов. Однако для превращения адамантана в алмаз учёные должны точно удалить атомы водорода (CH-связи) и заменить их углерод-углеродными связями (CC-связями), организовав таким образом трёхмерную алмазную решётку. Хотя этот путь реакции был известен теоретически, Накамура объяснил: «Настоящая проблема заключалась в том, что никто не считал это осуществимым.
Наблюдение за образованием алмазов в реальном времени
Предыдущие исследования с использованием масс-спектрометрии показали, что одноэлектронная ионизация может способствовать разрыву связей CH, но этот метод позволял определять структуры только в газовой фазе и не позволял выделять твердые продукты. Чтобы преодолеть это ограничение, группа Накамуры обратилась к просвечивающей электронной микроскопии (ПЭМ) – инструменту, позволяющему получать изображения материалов с атомным разрешением. Они подвергали мельчайшие кристаллы адамантана воздействию электронных пучков с энергией 80–200 килоэлектронвольт при температурах от 100 до 296 кельвинов в вакууме в течение нескольких секунд.
Эта установка позволила команде непосредственно наблюдать процесс формирования наноалмазов. Помимо демонстрации того, как электронное облучение стимулирует полимеризацию и реструктуризацию, эксперимент выявил потенциал просвечивающей электронной микроскопии для изучения контролируемых реакций в других органических молекулах.
Для Накамуры, посвятившего десятилетия синтетической и вычислительной химии, этот проект стал кульминацией давней цели. «Вычислительные данные дают „виртуальные“ пути реакций, но я хотел увидеть это своими глазами», — сказал он. Многие считали, что электронные пучки разрушат органические молекулы, но настойчивость Накамуры с 2004 года показала, что при определённых условиях они могут инициировать стабильные, предсказуемые реакции.
Создание наноалмазов под лучом
При длительном воздействии в ходе процесса были получены практически идеальные наноалмазы с кубической кристаллической структурой и диаметром до 10 нанометров, а также выделялся водород. ТЭМ-изображения показали, как цепочки молекул адамантана постепенно трансформировались в сферические наноалмазы, причем скорость реакции контролировалась разрывом связей CH. Другие углеводороды не дали такого же результата, что подчеркивает уникальную пригодность адамантана для выращивания алмазов.
Это открытие открывает новые возможности для управления химическими реакциями в таких областях, как электронная литография, физика поверхности и микроскопия. Исследователи также предполагают, что аналогичные процессы высокоэнергетического облучения могут объяснить естественное образование алмазов в метеоритах или богатых ураном породах. Кроме того, этот метод может способствовать созданию легированных квантовых точек – ключевых компонентов квантовых вычислений и современных датчиков.
Мечта, воплощенная в реальность два десятилетия назад
Размышляя о прорыве, Накамура охарактеризовал его как реализацию 20-летнего видения. «Этот пример синтеза алмаза — убедительное доказательство того, что электроны не разрушают органические молекулы, а позволяют им вступать в чётко определённые химические реакции, если мы придадим молекулам, подвергающимся облучению, соответствующие свойства», — сказал он. Его достижение может навсегда изменить подход учёных к использованию электронных пучков, открыв более чёткое представление о химических превращениях, происходящих под воздействием облучения.
Источник истории:
Материалы предоставлены Токийским университетом. Примечание: стиль и объём текста могут быть изменены.
Journal Reference:
Jiarui Fu, Takayuki Nakamuro, Eiichi Nakamura. Rapid, low-temperature nanodiamond formation by electron-beam activation of adamantane C–H bonds. Science, 2025; 389 (6764): 1024 DOI: 10.1126/science.adw2025
