Научници су управо пронашли начин да узгајају дијаманте без топлоте или притиска

Традиционално, производња дијаманата укључује претварање угљеника при огромним притисцима и температурама, где је дијамантски облик стабилан, или коришћењем хемијског таложења паре, где није. Професор Еиицхи Накамура и његов тим на Одсеку за хемију Универзитета у Токију кренули су другачијим путем. Они су тестирали технику ниског притиска користећи контролисано зрачење електрона на молекулу познатом као адамантане (Ц₁₀Х₁₆).

Адамантан има угљенични оквир који одражава тетраедарску структуру дијаманта, што га чини привлачним почетним материјалом за формирање нанодијаманата. Међутим, да би трансформисали адамантан у дијамант, научници морају прецизно уклонити атоме водоника (ЦХ везе) и заменити их везама угљеник-угљеник (ЦЦ), распоређујући атоме у тродимензионалну дијамантску решетку. Иако је овај пут реакције био познат у теорији, Накамура је објаснио да је „Прави проблем био што нико није мислио да је то изводљиво“.

Гледање формирања дијаманата у реалном времену

Ранији рад коришћењем масене спектрометрије показао је да би јонизација са једним електроном могла да помогне да се разбију ЦХ везе, али та метода може само да закључи структуре у гасној фази и не може да изолује чврсте производе. Да би превазишла ово ограничење, Накамурина група се окренула трансмисионој електронској микроскопији (ТЕМ), алату који може да слика материјале у атомској резолуцији. Изложили су сићушне кристале адамантана електронским сноповима од 80-200 килоелектрон-волти на температурама између 100-296 келвина у вакууму на неколико секунди.

Ова поставка је омогућила тиму да директно посматра процес формирања нанодијаманата. Поред демонстрације како електронско зрачење покреће полимеризацију и реструктурирање, експеримент је открио потенцијал ТЕМ-а за проучавање контролисаних реакција иу другим органским молекулима.

За Накамуру, који је деценијама провео у синтетичкој и рачунарској хемији, овај пројекат је представљао кулминацију дугогодишњег циља. „Рачунарски подаци вам дају ‘виртуелне’ путање реакције, али желео сам да то видим својим очима“, рекао је он. Многи су веровали да ће електронски снопови уништити органске молекуле, али Накамурина упорност од 2004. године показала је да, под правим условима, они уместо тога могу покренути стабилне, предвидљиве реакције.

Изградња нанодијаманата испод греде

Под продуженим излагањем, процес је произвео скоро савршене нанодијаманте са кубичном кристалном структуром и пречником до 10 нанометара, заједно са ослобађањем гаса водоника. ТЕМ снимање је открило како се ланци молекула адамантана постепено трансформишу у сферичне нанодијаманте, са брзином реакције контролисаном кидањем ЦХ веза. Други угљоводоници нису дали исти резултат, наглашавајући јединствену погодност адамантана за раст дијаманата.

Ово откриће отвара нове могућности за манипулацију хемијским реакцијама у областима као што су електронска литографија, наука о површини и микроскопија. Истраживачи такође сугеришу да слични процеси високоенергетског зрачења могу објаснити како се дијаманти природно формирају у метеоритима или стенама богатим уранијумом. Осим тога, метода би могла да подржи производњу допираних квантних тачака, кључних компоненти за квантно рачунарство и напредних сензора.

Сан две деценије у настајању

Размишљајући о пробоју, Накамура га је описао као остварење 20-годишње визије. „Овај пример синтезе дијаманата је крајња демонстрација да електрони не уништавају органске молекуле, већ их пуштају да пролазе кроз добро дефинисане хемијске реакције, ако уградимо одговарајућа својства у молекуле који ће бити озрачени“, рекао је он. Његово достигнуће може трајно да преобликује начин на који научници користе електронске зраке, нудећи јаснији прозор у хемијске трансформације које се дешавају под зрачењем.