Открытие стало результатом двадцатилетней работы профессора Эйити Накамуры из Токийского университета, который доказал, что электронные лучи не только не разрушают органические вещества, но наоборот, они могут запускать в них контролируемые химические реакции.
Традиционные методики получения искусственных алмазов подразумевают либо воздействие огромного давления и высоких температур, либо процесс химического осаждения углерода из газовой фазы. Команда Накамуры пошла совершенно другим путем. В качестве исходного материала ученые использовали адамантан — органическую молекулу, углеродный каркас которой повторяет тетраэдрическую структуру алмаза, что делает ее идеальным кандидатом для превращения в наноалмазы.
Главная задача заключалась в том, чтобы удалить из адамантана атомы водорода и заменить связи углерод-водород на связи углерод-углерод, сформировав таким образом трехмерную алмазную решетку. «Реальная проблема была в том, что никто не считал, что это вообще возможно», — объясняет профессор Накамура.
В ходе своего эксперимента ученые поместили крошечные кристаллы адамантана под электронный микроскоп и облучали их пучком электронов с энергией 80−200 килоэлектронвольт при температурах от −173 до 23 градусов Цельсия в вакууме в течение нескольких секунд. Это позволило специалистам впервые в истории наблюдать процесс формирования наноалмазов в реальном времени.
При длительном облучении образовывались почти идеальные наноалмазы с кубической кристаллической структурой диаметром до 10 нанометров. Микроскопические снимки показали, как из молекул адамантана постепенно выделяется водород и цепочки таких молекул превращаются в сферические наноалмазы. Интересно, что другие углеводороды не дали такого результата, что подтверждает уникальную пригодность именно молекул адамантана для выращивания алмазов.
«Вычислительные данные дают нам самые разные “виртуальные” пути реакций, но я хотел увидеть такую реакцию своими глазами», — говорит Накамура, который занимался синтетической и вычислительной химией на протяжении десятилетий. Многие считали, что электронные лучи разрушат органические молекулы, но настойчивость ученого с 2004 года показала обратное.
Открытие имеет множество потенциальных применений. Метод может использоваться в электронной литографии, микроскопии и создании квантовых точек — ключевых компонентов для квантовых компьютеров и сверхчувствительных сенсоров. Специалисты также предполагают, что похожие процессы могут объяснить естественное образование алмазов в метеоритах или породах, богатых ураном.
«Пример успешного синтеза алмазов по нашей технологии — это окончательное доказательство того, что электроны не разрушают органические молекулы, а позволяют им проходить через четко определенные химические реакции», — заключает Накамура. Ученый по праву считает свое достижение реализацией мечты в долгих двадцать лет.
Ранее ученые раскрыли квантовую магию алмазов.
