Výzkum syntetického diamantu zkoumá organické molekulární interakce pod mikroskopem.
Vědci dlouhodobě vyvíjejí různé techniky pro výrobu umělých diamantů, ale nová metoda od vědců, včetně týmu v Tokio UniversityNabízí překvapivé výhody. Přípravou vzorků specifickým způsobem před jejich vystavením elektronovému paprsku skupina zjistila, že jejich proces nejen podporuje tvorbu diamantu, ale také chrání organické materiály z poškození, které tyto paprsky obvykle způsobují. Tento průlom by mohl otevřít dveře pro pokročilejší metody zobrazování a analýzy.
Tvorba diamantu se tradičně spoléhá na transformaci zdrojů uhlíku za extrémních fyzických podmínek. Patří mezi ně tlaky desítek gigapascalů a teplot dosahujících tisíců Kelvinu, kde diamant zůstává termodynamicky stabilní. Další přístup zahrnuje depozici chemické páry, metoda, kde je diamant ve skutečnosti nestabilní. Naproti tomu profesor Eiichi Nakamura a jeho kolegové na Tokijské univerzitě v Tokijské oddělení chemie sledovali strategii s nízkým tlakem, která využívá pečlivě kontrolované elektronové ozáření aplikované na molekulu uhlíkové klece známé jako adamantan (c10H16).
To, co dělá Adamantana obzvláště slibným, je jeho strukturální podobnost s diamantem. Oba sdílejí tetrahedrální, symetrický uhlíkový rámec s atomy uspořádanými ve stejné prostorové konfiguraci. Díky tomu je Adamantane přitažlivým výchozím materiálem pro produkci nanodiamond. Úspěšná konverze však závisí na přesném odstranění vazeb Adamantanu C-H, aby se vytvořily nové vazby C-C, zatímco jednotlivé stavební bloky se shromažďují do trojrozměrné diamantové mřížky. Ačkoli tento požadavek byl již v poli známý,
„Skutečným problémem bylo, že si nikdo nemyslel, že je to možné,“ řekla Nakamura.
Od teorie k pozorování
Dříve hmotnostní spektrometrie, analytická technika, která třídí ionty podle jejich odlišné hmotnosti a náboje, ukázala, že k usnadnění takového štěpení vazby C-H lze použít ionizaci s jedním elektronem. Hmotnostní spektrometrie však může odvodit pouze tvorbu struktury v plynné fázi a není schopna izolovat produkty z intermolekulárních reakcí.
Tým byl vyzván, aby monitoroval ionizaci solidního adamantanu v atomovém rozlišení pomocí elektronového dopadu pomocí analytické a zobrazovací techniky zvané přenosové elektronové mikroskopie (TEM), což ozařuje submikrokrystaly při 80-200 kiloelektronových voltech ve vakuu pro desítky sekund. Metoda by nejen odhalila vývoj polymerizované tvorby nanodiamondů, ale poskytlo silné důsledky pro potenciál TEM jako nástroje k vyřešení kontrolovaných reakcí jiných organických molekul.
Pro Nakamuru, která 30 let pracovala na syntetické chemii a výpočetní kvantové chemické výpočty 15 let, studie nabídla průlomovou příležitost. „Výpočetní data vám dávají„ virtuální “reakční cesty, ale chtěl jsem to vidět očima,“ řekl. „Avšak běžnou moudrostí mezi specialisty TEM bylo, že organické molekuly se rychle rozkládají, když na ně svítíte elektronový paprsek. Můj výzkum od roku 2004 byl neustálým bitvou, aby ukázal jinak.“
Narození nanodiamondů
Proces přinesl nanodiamondské krystaly krystaly bez vady, doprovázené erupcemi vodíkového plynu, až do průměru 10 nanometrů za prodlouženým ozářením. Časově rozlišené TEM obrazy ilustrovaly průchod vytvořených adamantanových oligomerů, které se transformují na sférické nanodiamondy, moderované rychlostí štěpení C-H. Tým také testoval další uhlovodíky, které se nepodařilo vytvořit nanodiamondy, což zdůraznilo vhodnost adamantanu jako předchůdce.
Zjištění otevírají nové paradigma pro porozumění a kontrolu chemie v polích elektronové litografie, povrchového inženýrství a elektronové mikroskopie. Analýza nanodiamondské konverze podporuje dlouhodobé myšlenky, že tvorba diamantu u mimozemských meteoritů a uhlíkových uhlíkových sedimentárních hornin může být poháněna ozářením částic s vysokou energií. Nakamura také poukázal na základ, který poskytuje syntetizující dopované kvantové tečky, nezbytné pro konstrukci kvantových počítačů a senzorů.
Jak poslední kapitola ve 20letém výzkumném snu, Nakamura řekl: „Tento příklad syntézy diamantu je konečnou demonstrací, že elektrony ničí organické molekuly, ale necháme je podstoupit dobře definované chemické reakce, pokud nainstalujeme vhodné vlastnosti v molekulech, které mají být ozářeny.“ Když navždy změnil hru v polích využívající elektronové paprsky pro výzkum, mohl jeho sen nyní poskytnout vizi vědcům k interakcím s elektronem pod elektronovým ozářením.
Reference: „Rychlá, nízkoteplotní nanodiamondská formace aktivací Adamante C-H vazeb“ od Jiarui Fui, Takamura a Eichichi Nakura, 4. září 2025, Věda.
Doi: 10.1126/science.adw2025
Financování: JSPS Kakenhi, JST Presto
Nikdy nezmeškáte průlom: Připojte se k zpravodaji Scitechdaily.
