利用电子辐射制造钻石

合成钻石研究将有机分子相互作用置于显微镜下进行。

制造人造钻石的方法多种多样，但包括东京大学在内的研究人员开发的一种新方法带来了一些额外的好处。通过特殊制备样品，利用电子束将其转化为钻石，该团队发现，他们的方法可以保护有机样品免受电子束通常造成的损害。这可能会带来全新且强大的成像和分析技术。

钻石合成是一个传统上需要在极端条件下（数十吉帕的压力和数千开尔文的温度）从碳源转化的过程，在这些条件下钻石是热力学稳定的，或者在化学气相沉积技术下钻石是不稳定的。

东京大学化学系教授中村荣一领导的研究小组探索了一种替代的低压方法，即通过控制电子辐照一种名为金刚烷（C10H16）的碳笼分子。金刚石和金刚烷共用一个四面体对称碳骨架，碳原子以相同的空间模式排列，这使得金刚烷成为生产纳米金刚石的有吸引力的前体。

然而，成功的转化需要精确切割金刚烷的C–H端键，形成新的C–C键，同时将单体组装成三维金刚石晶格。虽然这是业内常识，但“真正的问题是，没有人认为这是可行的，”中村说。

此前，质谱法（一种根据离子质量和电荷差异对其进行分类的分析技术）已证明单电子电离可用于促进此类C-H键断裂。然而，质谱法只能推断气相中的结构形成，无法从分子间反应中分离产物。该团队受此启发，利用一种名为透射电子显微镜 (TEM) 的分析和成像技术，在原子分辨率下监测固体金刚烷的电子碰撞电离，在真空中以80-200千电子伏、100-296开尔文的温度照射亚微晶体数十秒。

该方法不仅可以揭示聚合纳米金刚石形成的演变过程，而且对 TEM 作为解决其他有机分子受控反应的工具的潜力提供了强大的影响。

对于从事合成化学研究30年、从事计算量子化学计算15年的中村来说，这项研究提供了一个突破性的机会。“计算数据提供了‘虚拟’的反应路径，但我希望亲眼看到，”他说。“然而，TEM专家普遍认为，当电子束照射有机分子时，它们会迅速分解。自2004年以来，我的研究一直在努力证明事实并非如此。”

该工艺生成了无缺陷的立方晶体结构纳米金刚石，并伴有氢气喷发，在长时间辐照下，其直径可达10纳米。时间分辨透射电子显微镜（TEM）图像显示了形成的金刚烷低聚物转化为球形纳米金刚石的过程，该过程受C–H键断裂速率的影响。该团队还测试了其他未能形成纳米金刚石的碳氢化合物，这凸显了金刚烷作为前体的适用性。

该研究成果（发表于《科学》杂志，题为“通过电子束活化金刚烷C–H键快速低温形成纳米金刚石”）为理解和控制电子光刻、表面工程和电子显微镜领域的化学反应开辟了新的范式。对纳米金刚石转化过程的分析支持了长期以来的观点，即地外陨石和含铀碳质沉积岩中的金刚石形成可能是由高能粒子辐照驱动的。Nakamura还指出，该研究为合成掺杂量子点奠定了基础，而掺杂量子点对于量子计算机和传感器的构建至关重要。

作为长达20年的研究梦想的最新篇章，中村说道：“这个钻石合成的例子最终证明，如果我们在被辐照的分子中植入合适的特性，电子就不会破坏有机分子，而是会让它们发生明确的化学反应。” 通过彻底改变使用电子束进行研究的领域的游戏规则，他的梦想现在可以为科学家们提供解开电子辐照下相互作用的愿景。