Det finns olika sätt att skapa artificiella diamanter, men en ny metod som utvecklats av forskare, bland annat vid Tokyos universitet, ger några extra fördelar.
Genom att speciellt förbereda prover för omvandling till diamant med hjälp av en elektronstråle fann teamet att deras metod kan användas för att skydda organiska prover från den skada som vanligtvis orsakas av en sådan stråle. Detta kan leda till nya och kraftfulla bild- och analystekniker.
Arbetet har publicerats i tidskriften Science.
Diamantsyntes är en process som konventionellt kräver omvandling från koldioxidkällor under extrema förhållanden – tryck på tiotals gigapascal och temperaturer på tusentals Kelvin – där diamant är termodynamiskt stabil, eller kemiska ångdepositionstekniker där den är instabil.
Ett team under ledning av universitetsprofessor Eiichi Nakamura från kemiska institutionen vid Tokyos universitet undersökte en alternativ lågtrycksmetod genom kontrollerad elektronbestrålning av en kolburmolekyl som kallas adamantan (C10H16).
Diamant och adamantan har samma tetraedriska symmetriska kolskelett, med kolatomerna arrangerade i samma rumsliga mönster, vilket gör adamantan till en attraktiv föregångare för produktion av nanodiamanter.
För att omvandlingen ska lyckas krävs dock en precis skärning av adamantans C–H-termineringsbindningar för att bilda nya C–C-bindningar, samtidigt som monomererna sätts samman till ett tredimensionellt diamantgitter. Även om detta var allmänt känt inom området, var ”det verkliga problemet att ingen trodde att det var genomförbart”, säger Nakamura.
Tidigare har masspektrometri, en analysmetod som sorterar joner efter deras olika massa och laddning, visat att enkelelektronjonisering kan användas för att underlätta sådan C–H-bindningsklyvning. Masspektrometri kan dock endast dra slutsatser om strukturbildning i gasfas och kan inte isolera produkter från intermolekylära reaktioner.
Teamet uppmanades att övervaka elektronpåverkad jonisering av fast adamantan med atomupplösning med hjälp av en analys- och avbildningsteknik som kallas transmissionselektronmikroskopi (TEM), där submikrokristaller bestrålas med 80–200 kiloelektronvolt vid 100–296 Kelvin i vakuum under tiotals sekunder.
Metoden skulle inte bara avslöja utvecklingen av den polymeriserade nanodiamantbildningen, utan också ge kraftfulla konsekvenser för TEM:s potential som ett verktyg för att lösa kontrollerade reaktioner hos andra organiska molekyler.
För Nakamura, som har arbetat med syntetisk kemi i 30 år och kvantkemiska beräkningar i 15 år, erbjöd studien en banbrytande möjlighet. ”Beräkningsdata ger dig ’virtuella’ reaktionsvägar, men jag ville se det med egna ögon”, sa han.
”Men den allmänna uppfattningen bland TEM-specialister var att organiska molekyler sönderfaller snabbt när man belyser dem med en elektronstråle. Min forskning sedan 2004 har varit en ständig kamp för att visa att det inte är så.”
Processen resulterade i felfria nanodiamanter med kubisk kristallstruktur åtföljda av vätegasutbrott, upp till 10 nanometer i diameter under långvarig bestrålning.
De tidsupplösta TEM-bilderna illustrerade övergången av bildade adamantanoligomerer som omvandlades till sfäriska nanodiamanter, modererade av C–H-klyvningshastigheten. Teamet testade också andra kolväten, som inte bildade nanodiamanter, vilket understryker adamantans lämplighet som prekursor.
Resultaten öppnar ett nytt paradigm för att förstå och kontrollera kemin inom områdena elektronlitografi, ytteknik och elektronmikroskopi. Analysen av nanodiamantkonverteringen stöder långvariga idéer om att diamantbildning i utomjordiska meteoriter och uranhaltiga kolhaltiga sedimentära bergarter kan drivas av högenergipartikelbestrålning.
Nakamura pekade också på den grund det ger för syntetisering av dopade kvantprickar, som är väsentliga för konstruktionen av kvantdatorer och sensorer.
Som det senaste kapitlet i en 20 år lång forskningsdröm sa Nakamura: ”Detta exempel på diamantsyntes är det ultimata beviset på att elektroner inte förstör organiska molekyler utan låter dem genomgå väl definierade kemiska reaktioner, om vi installerar lämpliga egenskaper i molekylerna som ska bestrålas.”
Genom att för alltid förändra spelreglerna inom områden som använder elektronstrålar för forskning kan hans dröm nu ge forskare en vision om att klargöra interaktioner under elektronbestrålning.
Mer information: Snabb, lågtemperaturbildning av nanodiamanter genom elektronstråleaktivering av adamantan C–H-bindningar, Science (2025). DOI: 10.1126/science.adw2025
