Ученые научились создавать алмазы с помощью электронного излучения

Фото из открытых источников

Существуют различные способы создания искусственных алмазов, но новый метод, разработанный исследователями, в том числе из Токийского университета, дает некоторые дополнительные преимущества.

Специальная подготовка образцов для преобразования в алмаз с помощью электронного пучка позволила исследователям обнаружить, что их метод может быть использован для защиты органических образцов от повреждений, обычно вызываемых таким пучком. Это может привести к появлению новых и эффективных методов визуализации и анализа. Работа опубликована в журнале Science.

Синтез алмаза — это процесс, который обычно требует преобразования источников углерода в экстремальных условиях — при давлении в десятки гигапаскалей и температуре в тысячи градусов Кельвина, — где алмаз термодинамически стабилен, или с использованием методов химического осаждения из паровой фазы, где он нестабилен.

Группа ученых под руководством профессора химического факультета Токийского университета Эйити Накамуры исследовала альтернативный подход низкого давления с помощью контролируемого электронного облучения молекулы углеродного каркаса, называемой адамантан (C10H16).

Алмаз и адамантан имеют общий тетраэдрический симметричный углеродный скелет, в котором атомы углерода расположены в одинаковой пространственной структуре, что делает адамантан привлекательным прекурсором для производства наноалмазов.

Однако для успешного превращения требуется точное разрезание концевых связей C–H адамантана для образования новых связей C–C с одновременной сборкой мономеров в трёхмерную алмазную решётку. Хотя это было общеизвестно в данной области, «настоящая проблема заключалась в том, что никто не считал это осуществимым», — сказал Накамура.

Ранее масс-спектрометрия, аналитический метод, сортирующий ионы по их массе и заряду, показала, что одноэлектронная ионизация может быть использована для облегчения такого разрыва связи C–H. Однако масс-спектрометрия позволяет лишь делать выводы о структурообразовании в газовой фазе и не позволяет изолировать продукты межмолекулярных реакций.

Команда получила задание отслеживать ионизацию твердого адамантана электронным ударом с атомным разрешением, используя аналитический и визуализирующий метод, называемый просвечивающей электронной микроскопией (ПЭМ), облучая субмикрокристаллы при 80–200 килоэлектронвольтах при температуре 100–296 Кельвинов в вакууме в течение десятков секунд.

Этот метод не только раскроет эволюцию формирования полимеризованных наноалмазов, но и предоставит важные доказательства потенциала просвечивающей электронной микроскопии 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 расчётами, это исследование стало прорывной возможностью. «Вычислительные данные дают „виртуальные“ пути реакций, но я хотел увидеть их своими глазами», — сказал он. «Однако среди специалистов по просвечивающему электронному микроскопу (ПЭМ) распространено мнение, что органические молекулы быстро разлагаются под воздействием электронного пучка. Мои исследования с 2004 года — это постоянная борьба, призванная доказать обратное».

В результате процесса получены бездефектные наноалмазы кубической кристаллической структуры, сопровождающиеся выбросами газообразного водорода, диаметром до 10 нанометров при длительном облучении.

Изображения, полученные с помощью просвечивающего электронного микроскопа с временным разрешением, иллюстрируют переход образовавшихся олигомеров адамантана в сферические наноалмазы, контролируемый скоростью расщепления связи C–H. Группа также протестировала другие углеводороды, которые не смогли образовать наноалмазы, что подтверждает пригодность адамантана в качестве прекурсора.

Полученные результаты открывают новую парадигму для понимания и управления химическими процессами в области электронной литографии, поверхностной инженерии 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 основу, которую он обеспечивает для синтеза легированных квантовых точек, необходимых для создания квантовых компьютеров и датчиков.

Накамура заявил, что это последняя глава в его двадцатилетней исследовательской мечте: «Этот пример синтеза алмаза — окончательное доказательство того, что электроны не разрушают органические молекулы, а позволяют им вступать в четко определенные химические реакции, если мы придадим молекулам, подлежащим облучению, подходящие свойства».

Его мечта, навсегда изменив правила игры в областях, где электронные пучки используются для исследований, теперь может дать ученым возможность прояснить взаимодействие при электронном облучении.