Японские ученые меняют правила игры: алмазы можно создавать без давления и жара

Ученые из Токийского университета разработали новый способ получения синтетических алмазов с помощью электронного излучения. Этот метод может открыть путь к новым мощным технологиям визуализации и аналитики.

Исследование опубликовано в журнале Science.

Обычно алмазы формируются при экстремальных условиях высоких температур и давления в недрах Земли или создаются в лаборатории с помощью химического осаждения из паровой фазы. Однако команда профессора Эйити Накамуры нашла способ синтезировать наноалмазы при относительно низком давлении, используя электронный пучок.

В качестве исходного материала использовался адамантан — углеводород с каркасной структурой, в основе которого лежит тот же тетраэдрический скелет из атомов углерода, что и у алмаза. В молекуле адамантана углероды находятся в «алмазном» расположении, но каждый связан с атомами водорода. Чтобы превратить адамантан в алмаз, необходимо удалить водороды и соединить углероды между собой. Для этого исследователи применили пучок электронов в просвечивающем электронном микроскопе.

Вопреки общепринятому мнению, что такие лучи разрушают органические молекулы, облучение вызвало отщепление водорода и образование связей углерод–углерод. Постепенно формировалась алмазная решётка, выделялся водород, и образовывались наноалмазы диаметром до 10 нанометров. При этом процесс проходил без экстремального давления и температуры.

Ученые отмечают, что ключевым оказался именно адамантан, тогда как другие углеводороды не подходили. Его «алмазоподобный» каркас сделал реакцию возможной.

Открытие имеет широкие перспективы. Наноалмазы могут применяться в квантовых технологиях, например, для создания «цветовых центров» в квантовых компьютерах и сенсорах. Методика также может использоваться в литографии и инженерии поверхностей, а в астрохимии — объяснить образование алмазов в метеоритах под воздействием космического излучения.

Работа Накамуры ломает старое представление о том, что электронные пучки лишь разрушают органику. Теперь ясно, что при правильном выборе молекулы их можно использовать для запуска точных химических реакций и синтеза новых наноматериалов.