東京大學的科學家及其合作者發明了一種形成人造鑽石的新方法，具有令人驚訝的優勢。通過仔細製備碳基樣品，然後將它們暴露在電子束下，研究人員發現他們的過程不僅將材料轉變為金剛石，而且還可以保護精緻的有機物質免受電子束的損壞。這一進展可以為改進材料科學和生物學中的成像和分析方法鋪平道路。
傳統上，鑽石生產涉及在極端壓力和溫度下轉化碳（鑽石形態穩定），或者使用化學氣相沉積（鑽石形態不穩定）。東京大學化學系的 Eiichi Nakamura 教授和他的團隊採取了不同的路線。他們測試了一種低壓技術，使用受控電子照射金剛烷 (C) 分子。10H16）。
金剛烷具有反映金剛石四面體結構的碳骨架，使其成為形成納米金剛石的有吸引力的起點。然而，要將金剛烷轉化為金剛石，科學家必須精確地去除氫原子（CH鍵）並用碳-碳（CC）鍵取代它們，將原子排列在三維金剛石晶格中。中村解釋說，雖然這種反應路徑在理論上是已知的，但“真正的問題是沒有人認為它是可行的。”
實時觀察鑽石形成
早期使用質譜的工作表明，單電子電離可以幫助打破CH鍵，但這種方法只能推斷氣相結構，不能分離固體產物。為了克服這一限制，Nakamura 的團隊轉向透射電子顯微鏡 (TEM)，這是一種能夠以原子分辨率對材料進行成像的工具。將小金剛烷晶體在真空中暴露於 80-200 千電子伏、100-296 開爾文溫度的電子束中幾秒鐘。
這種設置使團隊能夠直接觀察納米金剛石的形成過程。除了展示電子輻照如何驅動聚合和重組之外，該實驗還揭示了 TEM 在研究其他有機分子中的受控反應方面的潛力。
對於在合成和計算化學領域工作了數十年的中村來說，這個項目代表了長期目標的頂峰。 “計算數據為你提供‘虛擬’反應途徑，但我想親眼看到它，”他說。許多人認為電子束會破壞有機分子，但中村自 2004 年以來的堅持表明，在適當的條件下，電子束可以引起穩定且可預測的反應。
在樑下建造納米金剛石
在長時間的暴露過程中，該過程產生了近乎完美的納米金剛石，其具有立方晶體結構，直徑高達 10 納米，同時釋放出氫氣。 TEM 成像揭示了金剛烷分子鏈如何逐漸轉變為球形納米金剛石，反應速率由 CH 鍵的斷裂控制。其他碳氫化合物沒有產生相同的結果，這強調了金剛烷對於鑽石生長的特殊適用性。
這一發現為電子光刻、表面科學和顯微鏡等領域操縱化學反應開闢了新的可能性。研究人員還認為，類似的高能輻射過程可以解釋鑽石是如何在隕石或富含鈾的岩石中自然形成的。此外，該方法還可以幫助製造摻雜量子點、量子計算和先進傳感器的關鍵組件。
二十年的夢想
回顧這一進展，中村將其描述為20年願景的實現。他說：“這個金剛石合成的例子是最新的證據，證明電子不會破壞有機分子，如果我們設置了要照射的分子的正確屬性，電子不會破壞有機分子，而是允許它們進行明確的化學反應。”他的突破可能會永久重塑科學家使用電子束的方式，為了解輻射下發生的化學轉變提供更清晰的窗口。
