Có nhiều cách khác nhau để tạo ra kim cương nhân tạo, nhưng một phương pháp mới do các nhà nghiên cứu tại Đại học Tokyo phát triển đã mang lại khả năng tạo ra kim cương. Bằng mẫu đặc biệt chuyển đổi thành kim cương nhờ chùm electron, nhóm nghiên cứu nhận thấy phương pháp này có thể được sử dụng để bảo vệ các mẫu hữu cơ khỏi hư hại do chùm electron gây ra. Điều này dẫn đến các kỹ thuật hình ảnh và phân tích mới, hiệu quả. Công trình đã được công bố trên Tạp chí Science.
Tổng hợp kim cương là quá trình thường đòi hỏi phải chuyển đổi từ nguồn carbon trong điều kiện khắc nghiệt – áp suất hàng chục gigapascal và nhiệt độ hàng nghìn Kelvin – nơi kim cương ổn định về mặt nhiệt động lực học, hoặc kỹ thuật lắng đọng hơi hóa học. Nhóm nghiên cứu do Giáo sư Eiichi Nakamura thuộc Khoa Hóa học, Đại học Tokyo dẫn đầu đã khám phá một phương pháp thay thế thông qua việc chiếu xạ electron có kiểm soát vào một phân tử lồng carbon gọi là adamantane (C10H16). Kim cương và adamantane có chung bộ khung carbon đối xứng tứ diện, với các nguyên tử carbon được sắp xếp theo cùng một mô hình không gian, khiến adamantane trở thành tiền chất hấp dẫn cho việc sản xuất nano kim cương. Tuy nhiên, để chuyển đổi thành công, cần phải cắt chính xác các liên kết kết thúc C–H của adamantane để tạo thành các liên kết C–C mới, đồng thời lắp ráp các monome thành mạng kim cương ba chiều. Mặc dù đây là kiến thức phổ biến trong lĩnh vực, nhưng vấn đề là không ai nghĩ rằng nó khả thi.
Trước đây, khối phổ, kỹ thuật phân tích phân loại các ion theo khối lượng và điện tích khác nhau, đã chỉ ra rằng ion hóa electron đơn có thể được sử dụng để tạo điều kiện cho sự phân cắt liên kết C–H như vậy. Tuy nhiên, khối phổ chỉ có thể suy ra sự hình thành cấu trúc trong pha khí và không thể phân lập sản phẩm từ các phản ứng liên phân tử. Nhóm nghiên cứu được khuyến khích theo dõi quá trình ion hóa va chạm electron của adamantane rắn ở độ phân giải nguyên tử bằng cách sử dụng một kỹ thuật phân tích và hình ảnh gọi là kính hiển vi điện tử truyền qua (TEM), chiếu xạ các tinh thể siêu nhỏ ở mức 80–200 kiloelectron volt ở nhiệt độ 100–296 Kelvin trong chân không trong hàng chục giây. Phương pháp này không chỉ tiết lộ sự tiến hóa của quá trình hình thành nanodiamond trùng hợp mà còn cung cấp những hệ quả mạnh mẽ cho tiềm năng của TEM như một công cụ để phân tích các phản ứng được kiểm soát của các phân tử hữu cơ khác.
Đối với Nakamura, làm việc trong lĩnh vực hóa học tổng hợp 30 năm và tính toán hóa học lượng tử tính toán 15 năm, nghiên cứu này mang đến một cơ hội đột phá. Dữ liệu tính toán cung cấp các đường phản ứng ‘ảo’. Tuy nhiên, quan niệm chung của các chuyên gia TEM là các phân tử hữu cơ phân hủy nhanh chóng khi chiếu một chùm electron vào chúng. Quá trình này tạo ra các nanodiamond không khuyết tật có cấu trúc tinh thể lập phương, kèm theo sự phun trào khí hydro, đường kính lên đến 10 nanomet dưới tác động chiếu xạ kéo dài. Hình ảnh TEM phân giải theo thời gian minh họa quá trình chuyển đổi của các oligome adamantane đã hình thành thành nanodiamond hình cầu, được điều chỉnh bởi tốc độ phân cắt C–H.
Kim cương và adamantane có chung bộ khung cacbon đối xứng Td, nhưng việc chuyển đổi Ad thành kim cương vẫn còn nhiều thách thức vì nó đòi hỏi sự phân cắt liên kết cacbon-hydro (C–H) chọn lọc và lắp ráp monome thành mạng kim cương. Phương pháp này khác với các phương pháp tổng hợp kim cương thông thường ở nhiệt độ cao, áp suất cao. Chiếu xạ electron các tinh thể adamantane siêu nhỏ ở mức 80 đến 200 kiloelectron volt và 100 đến 296 kelvin trong chân không trong hàng chục giây. Quá trình này tạo ra các nanodiamond (ND) không có khuyết tật với cấu trúc tinh thể lập phương, kèm theo sự giải phóng khí hydro. Kính hiển vi điện tử truyền qua phân giải thời gian đã tiết lộ sự hình thành ban đầu của các oligome adamantane chuyển thành các ND hình cầu. Hiệu ứng đồng vị động học đáng kể chỉ ra rằng sự phân cắt C–H quyết định tốc độ và các hydrocarbon khác được thử nghiệm đã không tạo thành ND.
Nhóm nghiên cứu cũng đã thử nghiệm các hydrocarbon khác, nhưng không tạo thành nanodiamond, làm nổi bật tính phù hợp của adamantane như một tiền chất. Những phát hiện này mở ra một mô hình mới để hiểu và kiểm soát hóa học trong các lĩnh vực quang khắc điện tử, kỹ thuật bề mặt và kính hiển vi điện tử. Phân tích quá trình chuyển đổi nanodiamond ủng hộ những ý tưởng lâu đời rằng sự hình thành kim cương trong các thiên thạch ngoài Trái Đất và đá trầm tích cacbon chứa urani có thể được thúc đẩy bởi sự chiếu xạ hạt năng lượng cao. Nakamura cũng chỉ ra cơ sở mà nó cung cấp để tổng hợp các chấm lượng tử pha tạp, yếu tố thiết yếu cho việc chế tạo máy tính lượng tử và cảm biến. Là chương mới nhất trong giấc mơ nghiên cứu kéo dài 20 năm, Nakamura cho biết: “tổng hợp kim cương này là minh chứng cuối cùng cho thấy các electron không phá hủy các phân tử hữu cơ mà để chúng trải qua các phản ứng hóa học được xác định rõ ràng, nếu chúng ta thiết lập các đặc tính phù hợp trong các phân tử để được chiếu xạ.”
Từ khóa: bức xạ;
– CMD –
