Учёные из Токийского университета и их коллеги разработали новый подход к созданию искусственных алмазов, который обладает неожиданными преимуществами. Тщательно подготовив образцы на основе углерода и подвергнув их воздействию электронного пучка, исследователи обнаружили, что процесс не только преобразует материал в алмаз, но и защищает деликатные органические вещества от повреждения пучком. Это достижение может открыть путь к усовершенствованным методам визуализации и анализа в материаловедении и биологии.
Традиционно производство алмазов включает преобразование углерода при огромных давлениях и температурах, при которых алмазная форма стабильна, или с помощью химического осаждения из паровой фазы, при котором она нестабильна. Профессор Эйити Накамура и его команда из химического факультета Токийского университета пошли по третьему пути. Они испытали технологию низкого давления с использованием контролируемого электронного облучения молекулы, известной как адамантан (C10H16).
Адамантан имеет углеродную структуру, которая отражает тетраэдрическую структуру алмаза, что делает его привлекательным исходным материалом для образования наноалмазов. Однако, чтобы преобразовать адамантан в алмаз, учёные должны точно удалить атомы водорода (C-H связи) и заменить их углерод-углеродными (C-C) связями, расположив атомы в трёхмерной алмазной решётке. Хотя этот путь реакции был известен в теории, Накамура пояснил, что «настоящая проблема заключалась в том, что никто не считал его осуществимым».
Ранее проведённые работы с использованием масс-спектрометрии показали, что ионизация одним электроном может помочь разорвать C-H связи, но этот метод позволял только делать выводы о структурах в газовой фазе и не позволял выделять твёрдые продукты. Чтобы преодолеть это ограничение, группа Накамуры обратилась к просвечивающей электронной микроскопии (ПЭМ), инструменту, который может отображать материалы с атомным разрешением. Они подвергли крошечные кристаллы адамантана воздействию электронных пучков с энергией 80-200 килоэлектронвольт при температуре 100-296 кельвинов в вакууме в течение нескольких секунд.
Эта установка позволила команде непосредственно наблюдать процесс образования наноалмазов. Помимо демонстрации того, как электронное облучение стимулирует полимеризацию и реструктуризацию, эксперимент показал потенциал TEM для изучения контролируемых реакций в других органических молекулах.
Для Накамуры, который десятилетиями занимался синтетической и вычислительной химией, этот проект стал кульминацией его давней цели. Многие считали, что электронные пучки разрушают органические молекулы, но настойчивость Накамуры с 2004 года показала, что при правильных условиях они могут вызывать стабильные, предсказуемые реакции.
Источник: habr.com