Екип от Токийския университет е превърнал органични молекули в нанодиаманти, използвайки електронни лъчи, преобръщайки десетилетия предположения за лъчите, че ще увредят органичния материал. Откритието им може да трансформира материалознанието и да задълбочи разбирането за формирането на космическите диаманти.
Отглеждане на диаманти без топлина или налягане
Учени от Токийския университет и техни сътрудници са създали нов подход за формиране на изкуствени диаманти, който предлага изненадващи предимства. Чрез внимателно подготвяне на проби на въглеродна основа и след това излагането им на електронен лъч, изследователите са открили, че техният процес не само превръща материала в диамант, но и предпазва деликатните органични вещества от увреждане от лъча. Това постижение би могло да доведе до подобряване на методите за изобразяване и анализ в материалознанието и биологията.
Традиционно, производството на диаманти включва преобразуване на въглерод при огромни налягания и температури, където диамантената форма е стабилна, или чрез химическо отлагане от пари, когато не е така. Професор Ейичи Накамура (Eiichi Nakamura) и неговият екип от катедрата по химия на Токийския университет поемат по различен път. Те тестват техника с ниско налягане, използваща контролирано електронно облъчване върху молекула адамантан (C10H16).
Адамантанът има въглеродна рамка, която отразява тетраедричната структура на диаманта, което го прави привлекателен изходен материал за образуване на нанодиаманти. За да трансформират адамантан в диамант обаче, учените трябва прецизно да премахнат водородните атоми (C-H връзки) и да ги заменят с въглерод-въглеродни (C-C) връзки, подреждайки атомите в триизмерна диамантена решетка. Въпреки че този реакционен път е бил известен на теория, Накамура обяснява, че "истинският проблем е, че никой не го е смятал за осъществим".
Наблюдение на образуването на диаманти в реално време
По-ранни изследвания, използващи масспектрометрия, показват, че йонизацията на единични електрони може да помогне за разкъсване на CH връзките, но този метод може само да заключи за структури в газова фаза и не може да изолира твърди продукти. За да преодолеят това ограничение, групата на Накамура се обръща към трансмисионна електронна микроскопия (ТЕМ), инструмент, който може да изобразява материали с атомна резолюция. Те излагат малки адамантанови кристали на електронни лъчи от 80-200 килоелектронволта при температури между 100-296 келвина във вакуум в продължение на няколко секунди.
Тази установка позволява на екипа директно да наблюдава процеса на образуване на нанодиаманти. В допълнение към демонстрирането как електронното облъчване задвижва полимеризацията и преструктурирането, експериментът разкри потенциала на TEM за изучаване и на контролирани реакции в други органични молекули.
За Накамура, който е прекарал десетилетия в синтетичната и компютърната химия, този проект представлява кулминацията на дългогодишна цел.
"Изчислителните данни ни дават "виртуални" реакционни пътища, но аз исках да ги видя с очите си", коментира Накамура.
Мнозина са смятали, че електронните лъчи ще унищожат органичните молекули, но упоритостта на Накамура от 2004 г. насам показва, че при подходящи условия те могат вместо това да предизвикат стабилни, предвидими реакции.
Изграждане на нанодиаманти под електронен лъч
При продължително излагане, процесът е довел до получаване на почти перфектни нанодиаманти с кубична кристална структура и диаметри до 10 нанометра, заедно с отделянето на водороден газ. Изображенията с трансмисионна електронна микроскопия (ТЕМ) са показали как вериги от молекули адамантан постепенно се трансформират в сферични нанодиаманти, като скоростта на реакцията се контролира от разкъсването на C-H връзките. Други въглеводороди не са успели да доведат до същия резултат, което подчертава уникалната пригодност на адамантана за растеж на диаманти.
Откритието отваря нови възможности за манипулиране на химични реакции в области като електронна литография, повърхностна наука и микроскопия. Изследователите също така предполагат, че подобни процеси на високоенергийно облъчване могат да обяснят как диамантите се образуват естествено в метеорити или богати на уран скали. Освен това, методът би могъл да подпомогне производството на легирани квантови точки, ключови компоненти за квантовите изчисления и усъвършенстваните сензори.
Мечта отпреди две десетилетия, осъществена сега
Размишлявайки върху пробива, Накамура го описва като реализация на 20-годишна визия.
"Този пример за синтез на диаманти е най-добрата демонстрация, че електроните не разрушават органичните молекули, а им позволяват да претърпят добре дефинирани химични реакции, ако придадем подходящи свойства на молекулите, които ще бъдат облъчени", посочва Накамурай.
Неговото постижение може трайно да промени начина, по който учените използват електронните лъчи, предлагайки по-ясна представа за химичните трансформации, които протичат при облъчване.
Справка: 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
Източник: Scientists just found a way to grow diamonds without heat or pressure, University of Tokyo
Коментари
Моля, регистрирайте се от TУК!
Ако вече имате регистрация, натиснете ТУК!
Няма коментари към тази новина !
Последни коментари
dolivo
Земната ябълка: стара култура за новите климатични времена
dolivo
Земята потъмнява. Какво означава тази тревожна климатична тенденция за бъдещето?
Nikor
На 30 септември 1928 е открит пеницилинът
Прост Човек
Ново обяснение за гигантските експлодиращи кратери в Сибир