Des chercheurs de l'Université de Tokyo ont développé une méthode pour former des nanodiamants à partir de molécules organiques en utilisant des faisceaux d'électrons, contournant les processus traditionnels à haute pression et haute température. Cette avancée protège les matériaux délicats des dommages causés par le faisceau et pourrait faire progresser des domaines comme la science des matériaux et l'informatique quantique. La découverte remet en question des hypothèses de longue date sur l'irradiation électronique.
Une équipe dirigée par le professeur Eiichi Nakamura au Département de chimie de l'Université de Tokyo a mis au point une technique à basse pression pour produire des nanodiamants artificiels. En exposant des molécules d'adamantane (C10H16), qui présentent un cadre carboné similaire à la structure tétraédrique du diamant, à des faisceaux d'électrons contrôlés, les chercheurs ont transformé le matériau en nanodiamants impeccables.
Le processus implique l'imagerie par microscopie électronique à transmission (TEM), où de minuscules cristaux d'adamantane sont irradiés avec 80-200 kiloelectronvolts à des températures comprises entre 100 et 296 kelvins dans un vide pendant plusieurs secondes. Cette configuration permet l'observation en temps réel de la réaction, car les faisceaux d'électrons rompent les liaisons C-H et forment des liaisons C-C, polymérisant les molécules en un réseau de diamant tridimensionnel. Les nanodiamants résultants présentent une structure cristalline cubique et atteignent des diamètres allant jusqu'à 10 nanomètres, avec du gaz hydrogène libéré comme sous-produit.
Nakamura, qui poursuit cette recherche depuis 2004, a noté le scepticisme entourant l'approche : « Le vrai problème était que personne ne pensait cela faisable. » Des études antérieures utilisant la spectrométrie de masse suggéraient que l'ionisation par un seul électron pourrait aider à rompre les liaisons, mais elles étaient limitées à des inférences en phase gazeuse. La méthode TEM surmonte cela en permettant une visualisation à résolution atomique et en isolant les produits solides.
« Les données computationnelles vous donnent des chemins de réaction 'virtuels', mais je voulais le voir de mes propres yeux », a déclaré Nakamura, réalisant une vision de 20 ans. Il a souligné : « Cet exemple de synthèse de diamant est la démonstration ultime que les électrons ne détruisent pas les molécules organiques mais les font subir des réactions chimiques bien définies, si nous installons des propriétés adaptées dans les molécules à irradier. »
La découverte, détaillée dans la revue Science (2025 ; 389 (6764) : 1024, DOI : 10.1126/science.adw2025) par les auteurs Jiarui Fu, Takayuki Nakamuro et Eiichi Nakamura, met en lumière l'adéquation unique de l'adamantane, car d'autres hydrocarbures n'ont pas donné de résultats similaires. Les applications potentielles incluent la lithographie électronique, la science des surfaces, les améliorations en microscopie et la fabrication de points quantiques dopés pour l'informatique quantique et les capteurs. Elle pourrait également éclairer la formation naturelle de diamants dans les météorites ou les roches riches en uranium par irradiation à haute énergie.