Forskare vid University of Tokyo har utvecklat en metod för att bilda nanodiamanter från organiska molekyler med hjälp av elektronstrålar, och kringgår traditionella högtryck- och högtemperaturprocesser. Detta genombrott skyddar känsliga material från strålskador och kan främja områden som materialvetenskap och kvantdatorer. Upptäckten utmanar länge hållna antaganden om elektronbestrålning.
Ett team ledd av professor Eiichi Nakamura vid University of Tokyos kemiavdelning har pionjärat en lågtrycksteknik för att producera artificiella nanodiamanter. Genom att exponera adamantmolekyler (C10H16), som har ett kolramverk liknande diamantens tetraedriska struktur, för kontrollerade elektronstrålar, omvandlade forskarna materialet till felfria nanodiamanter.
Processen involverar bildtagning med transmissionselektronmikroskopi (TEM), där små adamantkristaller bestrålas med 80-200 kiloelektronvolt vid temperaturer mellan 100-296 kelvin i vakuum under flera sekunder. Denna uppsättning tillåter realtidsobservation av reaktionen, eftersom elektronstrålarna bryter C-H-bindningar och bildar C-C-länkar, vilket polymeriserar molekylerna till ett tredimensionellt diamantgitter. De resulterande nanodiamanterna uppvisar en kubisk kristallstruktur och når diametrar upp till 10 nanometer, med vätegas som en biprodukt.
Nakamura, som har bedrivit denna forskning sedan 2004, noterade skepsisen kring tillvägagångssättet: "Det verkliga problemet var att ingen trodde att det var genomförbart." Tidigare studier med masspektrometri antydde att enelektronjonisering kunde underlätta bindningsbrott, men de var begränsade till gasfasavledningar. TEM-metoden övervinner detta genom att möjliggöra atomupplöst visualisering och isolering av fasta produkter.
"Beräkningsdata ger dig 'virtuella' reaktionsvägar, men jag ville se det med egna ögon," sa Nakamura, och uppfyllde en 20-årig vision. Han betonade: "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."
Upptäckten, som beskrivs i tidskriften Science (2025; 389 (6764): 1024, DOI: 10.1126/science.adw2025) av författarna Jiarui Fu, Takayuki Nakamuro och Eiichi Nakamura, belyser adamantans unika lämplighet, eftersom andra kolväten inte gav liknande resultat. Potentiella tillämpningar inkluderar elektronlitografi, ytvetsenskap, förbättringar av mikroskopi och tillverkning av dopade kvantprickar för kvantdatorer och sensorer. Det kan också kasta ljus över naturlig diamantbildning i meteoriter eller uranrika bergarter genom högenergi-bestrålning.