Tradycyjnie diamenty powstają w ekstremalnych warunkach — pod ogromnym ciśnieniem i w bardzo wysokich temperaturach głęboko we wnętrzu Ziemi. W laboratoriach otrzymuje się je najczęściej metodą chemicznego osadzania z fazy gazowej (CVD), co również wymaga starannie kontrolowanych warunków. Zespół prof. Eiichiego Nakamury pokazał jednak, że można uzyskać nanodiamenty w znacznie prostszy sposób: bez zgniatających nacisków i bez żaru pieców, wystarczy użyć transmisyjnego mikroskopu elektronowego (TEM).
Punktem wyjścia w eksperymencie była cząsteczka adamantanu – związku węglowodorowego o klatkowej strukturze, która przypomina sieć krystaliczną diamentu. W adamantanie każdy atom węgla związany jest z atomami wodoru, co uniemożliwia bezpośrednie połączenie sąsiednich węgli. Aby powstał diament, konieczne jest usunięcie wodoru i utworzenie nowych wiązań węgiel–węgiel.
Czytaj także: Heksagonalny diament już nie jest mitem. Chińczycy stworzyli materiał z kosmosu
To właśnie udało się osiągnąć dzięki precyzyjnie kontrolowanemu napromieniowaniu wiązką elektronów. Pod jej wpływem atomy wodoru odłączały się, a atomy węgla łączyły w regularną sieć krystaliczną. W efekcie powstawał gazowy wodór, a w miejscu próbki rosły idealne nanodiamenty o średnicy do 10 nanometrów.
Przełamanie naukowych stereotypów
Do tej pory w środowisku naukowym panowało przekonanie, że wiązka elektronów natychmiast niszczy cząsteczki organiczne. Wyniki zespołu z Tokio całkowicie temu zaprzeczają. Okazało się, że przy odpowiednio dobranej strukturze cząsteczki – takiej jak adamantan – promieniowanie elektronowe może pełnić rolę katalizatora reakcji chemicznej zamiast działać destrukcyjnie. Próby z innymi węglowodorami nie powiodły się, co podkreśla wyjątkowe właściwości adamantanu jako prekursora diamentów.
Zastosowania: od komputerów kwantowych po kosmos
Nowa metoda ma ogromny potencjał praktyczny. W informatyce kwantowej nanodiamenty są szczególnie cenne, ponieważ mogą zawierać tzw. centra barwne – defekty sieci krystalicznej, które działają jako stabilne kubity w komputerach kwantowych i czujnikach. Odkrycie może znaleźć też zastosowanie w inżynierii powierzchni i litografii, umożliwiając precyzyjne „rysowanie” struktur diamentowych za pomocą wiązki elektronów.
Czytaj także: Poszukiwanie diamentów przestanie być wyzwaniem. Naukowcy wiedzą już, gdzie szukać
Z kolei w astrofizyce wyniki badań rzucają nowe światło na genezę diamentów obecnych w meteorytach. Naukowcy sugerują, że część z nich mogła powstać nie w wyniku ekstremalnych warunków geologicznych, lecz pod wpływem promieniowania kosmicznego.
Odkrycie zespołu prof. Nakamury nie tylko otwiera drogę do nowych sposobów wytwarzania diamentów, ale także zmienia sposób patrzenia na mikroskopię elektronową. Zamiast być jedynie narzędziem obrazowania, wiązka elektronów może okazać się precyzyjnym instrumentem sterowania reakcjami chemicznymi na poziomie atomowym.