告别高温高压：日本科学家用电子束在真空中种出钻石

钻石，这颗自然界最坚硬的材料，其人工合成一直离不开模仿地底深处的高温高压环境。但东京大学的一项最新研究，彻底打破了这一百年范式。科学家们仅仅利用电子束，在近乎室温的真空环境中，成功将一种常见的有机分子直接转化成了纯净的纳米钻石。这项发现不仅是一项技术突破，更颠覆了我们对电子束与物质相互作用的基本认知。

传统观点认为，用于观测原子结构的透射电子显微镜（TEM）发出的高能电子束，会像子弹一样摧毁脆弱的有机分子。这使得观察其精细结构变得困难。然而，由Eiichi Nakamura教授领导的团队反其道而行之。他们选择了一种名为“金刚烷”的巧妙起点分子。金刚烷的碳原子骨架天然具有类似钻石的四面体结构，堪称完美的微型钻石种子。

究的关键在于精确控制电子束的能量与照射时间。在显微镜下，电子束并非盲目轰击，而是像一把超精细的“手术刀”，精准地切断金刚烷分子中的碳-氢键。被切断键的碳原子变得活跃，随即与相邻分子中的碳原子连接，形成坚固的碳-碳键。这个过程层层递进，最终在常温常压下，自发地组装成直径仅几纳米的完美钻石晶体，并释放出氢气。

这项研究的另一大魅力在于“可视化”。团队借助高分辨率透射电子显微镜，首次实时观测并记录了从有机分子到无机晶体的整个转变过程。用Nakamura教授的话说，他长达20年的目标就是“亲眼看到”计算机模拟中的反应路径变为现实。这不仅证实了理论的可行性，更将TEM从一种单纯的观测工具，提升为一个强大的纳米级化学反应“实验室”。

这项技术的应用潜力巨大。它为制造用于量子计算的高纯度钻石量子比特提供了更温和、可控的新路径。在材料科学中，它或许能用于直接在精密电子元件内部“雕刻”出钻石结构，增强其性能。

此外，这一发现还可能解开自然界的谜题：它为太空中或富含放射性元素的陨石里为何存在纳米钻石，提供了一个全新的解释——宇宙射线或放射性衰变产生的高能粒子，或许正扮演着实验中电子束的角色，在冰冷广袤的空间中悄然孕育着钻石。

这项研究证明，只要足够了解分子的特性并精细控制能量，曾被视作“破坏之王”的电子束，也能成为创造奇迹的“建造师”，为我们打开了一扇通往全新材料合成世界的大门。

信源：https://www.science.org/doi/10.1126/science.adw2025

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