Без нагрева и давления: найден новый способ выращивать алмазы
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.
