Изследователи от Токийския университет са разработили нов метод за създаване на синтетични диаманти с помощта на електронно лъчение. Според тях тази техника би могла да проправи пътя за мощни нови форми на изображения и аналитични техники.

В момента диамантите обикновено се образуват при екстремни условия на топлина и налягане, като тези дълбоко в Земята, или чрез контролиран процес на растеж, наречен химическо отлагане на пари.

Японският екип, ръководен от професор Ейичи Накамура, обаче е открил начин за създаване на малки диаманти (нанодиаманти) при относително ниско налягане, използвайки електронен лъч. Изходният им материал е адамантан, въглеводородна молекула с форма на клетка със същия основен тетраедричен въглероден скелет като диаманта.

В адамантана въглеродните атоми са в правилната диамантоподобна подредба, но всеки въглерод е обграден с водородни атоми. Както обяснява екипът, за да превърнете адамантан в диамант, трябва да премахнете водородите (да прекъснете въглерод-водородните връзки).

Също така трябва да свържете въглеродните атоми (да образувате нови въглерод-въглеродни връзки). За да постигнат това, екипът използва електронни лъчи вътре в трансмисионен електронен микроскоп (ТЕМ) и внимателно „запали“ кристалите на адамантана.

„Изчислителните данни ви дават „виртуални“ реакционни пътища, но аз исках да го видя с очите си“, казва Накамура.

„Общото мнение сред специалистите по трансмисионна електронна микроскопия обаче е, че органичните молекули се разлагат бързо, когато ги насочим с електронен лъч. Моите изследвания от 2004 г. насам са постоянна битка да покажат обратното“, добавя той.

Вместо да разруши молекулите (което повечето хора смятаха, че ще се случи), лъчът е причинил отделянето на водородите и свързването на въглеродите, като по този начин бавно се е изградила диамантена решетка.

По време на този процес се е освободил водороден газ и са се образували бездефектни нанодиаманти с диаметър до ~10 нанометра. Това е от голямо значение, тъй като новият процес не изисква смачкващо налягане или пареща топлина.

Вместо това, контролирано електронно облъчване беше извършено при скромни условия. Също така, в повечето случаи TEM обикновено разрушава органичните проби под лъча. Новата техника обаче не само не ги унищожи, но всъщност позволи контролирана химическа реакция - това е революционно за микроскопията.

Интересното е, че екипът откри, че адамантанът е ключов, тъй като други въглеводороди не са работили. Неговият диамантоподобен скелет го прави уникално подходящ като прекурсор.

В бъдеще новата техника би могла да има интересни приложения в различни индустрии. Например, тя би могла да се използва за разработване на нови квантови технологии, при които нанодиамантите могат да съдържат „цветни центрове“ (малки дефекти), използвани в квантовите компютри и сензори.

Тя би могла да се използва и в повърхностното инженерство и литографията, предоставяйки нови начини за „писане“ на материали с електронни лъчи. Астрохимията би могла да се възползва и от идеята, че диамантите в метеорити и скали могат да се образуват чрез облъчване с космически частици, а не единствено чрез топлина и налягане.

Поглеждайки в по-широк план, откритието преобръща дългогодишното убеждение, че електронните лъчи просто разрушават органичните молекули. Екипът на Накамура е показал, че с правилния молекулярен дизайн (като адамантан), електронните лъчи могат вместо това да задействат високоспецифични химични реакции, отваряйки нови граници както в синтеза на наноматериали, така и в електронната микроскопия.

Снимка: Unsplash

Виж още: Лунните земетресения се оказват неочаквана пречка пред изграждането на база на нашия небесен съсед