Химики выращивают алмазы с помощью электронного луча
Исследования синтетических алмазов изучают взаимодействие органических молекул под микроскопом.
Ученые давно разработали различные методы производства искусственных алмазов, но новый метод, разработанный исследователями, в том числе группой ученых из Токийского университета, предлагает неожиданные преимущества. Подготовив образцы определенным образом перед воздействием на них электронным пучком, группа обнаружила, что их процесс не только способствует образованию алмазов, но и защищает органические материалы от повреждений, которые обычно вызывают такие пучки. Этот прорыв может открыть путь к более совершенным методам визуализации и анализа.
Традиционно создание алмазов основано на преобразовании источников углерода в экстремальных физических условиях. К ним относятся давление в десятки гигапаскалей и температуры, достигающие тысяч кельвинов, при которых алмаз остается термодинамически стабильным. Другой подход включает химическое осаждение из паровой фазы, метод, при котором алмаз фактически нестабилен. В отличие от этого, профессор Эйити Накамура и его коллеги из химического факультета Токийского университета применили стратегию низкого давления, которая использует тщательно контролируемое облучение электронами молекулы углеродной клетки, известной как адамантан (C10H16).
Что делает адамантан особенно перспективным, так это его структурное сходство с алмазом. Оба имеют тетраэдрическую симметричную углеродную структуру с атомами, расположенными в одинаковой пространственной конфигурации. Это делает адамантан привлекательным исходным материалом для производства наноалмазов. Однако успешное преобразование зависит от точного удаления C–H-связей адамантана, чтобы позволить образоваться новым C–C-связям, в то время как отдельные строительные блоки собираются в трехмерную алмазную решетку. Хотя это требование уже было известно в этой области,
«настоящая проблема заключалась в том, что никто не считал это возможным», — сказал Накамура.
От теории к наблюдению
Ранее масс-спектрометрия, аналитическая техника, которая сортирует ионы в соответствии с их различной массой и зарядом, показала, что для облегчения такого разрыва C–H-связей можно использовать одноэлектронную ионизацию. Однако масс-спектрометрия может только делать выводы о формировании структуры в газовой фазе и не способна изолировать продукты межмолекулярных реакций.
Команда была побуждена отслеживать ионизацию твердого адамантана под воздействием электронов с атомным разрешением с помощью аналитической и визуализационной техники, называемой просвечивающей электронной микроскопией (ПЭМ), облучая субмикрокристаллы при 80-200 килоэлектронвольтах при 100-296 кельвинах в вакууме в течение десятков секунд. Этот метод не только позволил бы выявить эволюцию образования полимеризованных наноалмазов, но и имел бы мощные последствия для потенциала TEM как инструмента для разрешения контролируемых реакций других органических молекул.
Для Накамуры, который работал в области синтетической химии в течение 30 лет и занимался вычислительными квантово-химическими расчетами в течение 15 лет, это исследование стало прорывом. «Вычислительные данные дают вам «виртуальные» пути реакции, но я хотел увидеть это своими глазами», — сказал он. «Однако среди специалистов по TEM было общепринято мнение, что органические молекулы быстро разлагаются под воздействием электронного пучка. Мои исследования с 2004 года были постоянной борьбой за то, чтобы доказать обратное».
Рождение наноалмазов
В результате этого процесса при длительном облучении получились наноалмазы без дефектов с кубической кристаллической структурой, сопровождавшиеся выбросами водорода, диаметром до 10 нанометров. Изображения TEM с разрешением по времени иллюстрировали превращение образовавшихся олигомеров адамантана в сферические наноалмазы, замедленное скоростью расщепления C–H. Команда также протестировала другие углеводороды, которые не смогли сформировать наноалмазы, что подчеркнуло пригодность адамантана в качестве прекурсора.
Эти открытия открывают новую парадигму для понимания и контроля химии в области электронной литографии, инженерии поверхностей и электронной микроскопии. Анализ преобразования наноалмазов подтверждает давние предположения о том, что образование алмазов в внеземных метеоритах и ураносодержащих углеродистых осадочных породах может быть вызвано облучением высокоэнергетическими частицами. Накамура также указал на основу, которую это дает для синтеза легированных квантовых точек, необходимых для создания квантовых компьютеров и датчиков.
Как последнюю главу в 20-летней истории своих исследований, Накамура сказал: «Этот пример синтеза алмазов является окончательным доказательством того, что электроны не разрушают органические молекулы, а позволяют им вступать в четко определенные химические реакции, если мы придадим молекулам, подвергаемым облучению, соответствующие свойства». Навсегда изменив правила игры в областях, где для исследований используются электронные пучки, его мечта теперь может дать ученым представление о взаимодействиях под воздействием электронного облучения.
