(phys.org) - Существуют различные способы создания искусственных алмазов, но новый метод, разработанный исследователями, в том числе из Токийского университета (University of Tokyo), дает ряд дополнительных преимуществ.
Специально подготавливая образцы для преобразования их в алмаз с помощью облучения пучком электронов, исследователи обнаружили, что их метод может быть использован для защиты органических образцов от повреждений, обычно вызываемых действием такого пучка. Это может привести к появлению новых и эффективных методов визуализации и анализа.
Эта работа опубликована в журнале Science.
Синтез алмаза является процессом, который обычно требует преобразования источников углерода в экстремальных условиях, - используя давления в десятки гигапаскалей и температуры в тысячи кельвинов (градусов Кельвина), - когда алмаз термодинамически стабилен, или используя методы химического осаждения из паровой фазы (chemical vapor deposition, CVD), когда он нестабилен.
Группа исследователей под руководством профессора Эйити Накамуры (Eiichi Nakamura) с химического факультета Токийского университета исследовала альтернативный подход при низком давлении, основанный на контролируемом электронном облучении молекулы углеродной клетки, называемой адамантаном (C10H16).
Алмаз и адамантан имеют общий тетраэдрический симметричный углеродный скелет с одинаковым пространственным расположением атомов углерода, что делает адамантан привлекательным прекурсором для производства наноалмазов.
Но для успешного превращения требуется точное расщепление концевых связей C–H адамантана для образования новых связей C–C с одновременной сборкой мономеров в трехмерную алмазную решетку. Хотя это было общеизвестно в данной области, «реальная проблема заключалась в том, что никто не считал это осуществимым», - сказал Накамура.
Ранее масс-спектрометрия - аналитический метод, сортирующий ионы по их разной массе и заряду, - показала, что одноэлектронная ионизация может быть использована для осуществления такого разрыва связи C–H. Однако масс-спектрометрия позволяет лишь предположить образование структуры в газовой фазе и не позволяет выделить продукты межмолекулярных реакций.
Группа исследователей решила отслеживать ионизацию твердого адамантана электронным ударом с атомным разрешением, используя аналитический и визуализирующий метод, который называется просвечивающей электронной микроскопией (ПЭМ), облучая субмикрокристаллы при напряжении 80-200 килоэлектрон-вольт (keV) при температуре 100-296 кельвинов в вакууме в течение десятков секунд.
Этот метод не только позволил бы проследить эволюцию образования полимеризованных наноалмазов, но и предоставил бы весомые доказательства потенциала ПЭМ как инструмента для изучения контролируемых реакций других органических молекул.
Для Накамуры, который 30 лет работал в области синтетической химии и 15 лет занимался квантово-химическими компьютерными расчетами, это исследование стало возможностью совершить прорыв. «Вычислительные данные дают „виртуальные“ пути реакций, но я хотел увидеть это своими глазами», - сказал он.
«Однако специалисты по ПЭМ считали, что органические молекулы быстро разлагаются под воздействием электронного пучка. Мои исследования с 2004 года - это постоянная борьба, направленная на то, чтобы доказать обратное», - добавил он.
В результате этого процесса были получены бездефектные наноалмазы кубической кристаллической структуры диаметром до 10 нанометров при длительном облучении, сопровождавшемся выбросами водорода.
Снимки, полученные с помощью ПЭМ с временным разрешением, иллюстрируют переход образовавшихся олигомеров адамантана в сферические наноалмазы, замедленный скоростью расщепления связи C–H. Исследователи также протестировали другие углеводороды, которые не смогли образовать наноалмазы, что подтверждает пригодность адамантана в качестве прекурсора.
Результаты исследования открывают новую парадигму для понимания и управления химическими процессами в области электронной литографии, технологии поверхностей и электронной микроскопии. Анализ процесса превращения наноалмазов подтверждает давние представления о том, что образование алмазов во внеземных метеоритах и урансодержащих углеродистых осадочных породах может быть обусловлено облучением частицами высокой энергии.
Накамура также указал на то, что это создает основу для синтеза легированных квантовых точек, необходимых для создания квантовых компьютеров и датчиков.
Накамура заявил, что это последняя глава в его 20-летней мечте как исследователя: «Этот пример синтеза алмаза является окончательным доказательством того, что электроны не разрушают органические молекулы, а позволяют им вступать в четко определенные химические реакции, если мы придадим подходящие свойства молекулам, подвергающимся облучению».
Его мечта, навсегда изменив правила игры в областях, использующих электронные пучки для проведения исследований, теперь может дать ученым возможность прояснить взаимодействия, происходящие при электронном облучении.
