中國粉體網(wǎng)訊 金剛石因具有優(yōu)異的光學(xué)、電學(xué)、機械和熱學(xué)性能而備受關(guān)注。人造金剛石傳統(tǒng)合成方法需要極端高壓和高溫條件，這一過程不僅耗能巨大，也難以精準控制?？茖W(xué)家們一直夢想著尋找更“溫和”的路徑。金剛烷與金剛石在結(jié)構(gòu)上頗為相似，二者都擁有對稱的碳骨架，然而金剛烷轉(zhuǎn)化金剛石過程需要選擇性斷裂碳-氫（C-H）鍵并將單體組裝成金剛石晶格，這一過程存在挑戰(zhàn)。
東京大學(xué)Eiichi Nakamura教授聯(lián)合Takayuki Nakamuro教授首次利用電子束照射金剛烷微晶，在低溫、真空環(huán)境下，幾十秒內(nèi)就能生成無缺陷的立方相納米金剛石。相比傳統(tǒng)高溫高壓法，這一方法不僅條件溫和，還能直觀追蹤反應(yīng)過程，揭示金剛石形成的化學(xué)機制。相關(guān)成果以“Rapid,low-temperature nanodiamond formation by electron-beam activation of adamantane C-H bonds”為題發(fā)表在《Science》上。
研究團隊利用高能電子束在真空低溫中轟擊金剛烷微晶，激發(fā)分子發(fā)生電離和斷鍵反應(yīng)。透射電子顯微鏡的實時成像顯示，金剛烷先形成低聚物（Adn），再逐步轉(zhuǎn)化為球形納米金剛石。與此同時，氫氣大量釋放，印證了C-H鍵裂解在其中起到了關(guān)鍵作用。進一步的對比實驗也表明，只有具有四面體對稱骨架的金剛烷最適合作為“積木”，而其他結(jié)構(gòu)如二金剛烷、苯基金剛烷或石蠟在相同條件下均無法生成納米金剛石。
金剛烷轉(zhuǎn)化為納米金剛石的化學(xué)難點與電子束激發(fā)機理示意圖
在低倍顯微鏡觀察中，科學(xué)家們還意外捕捉到了氫氣微泡的爆裂過程。當(dāng)電子束不斷驅(qū)動反應(yīng)，納米級氣泡驟然形成、膨脹并爆裂，帶動周圍的納米金剛石重新排列。這種畫面酷似地?zé)崮酀{池中的氣泡翻涌，直觀呈現(xiàn)了氫氣釋放在反應(yīng)中的重要角色。團隊借助電子能量損失譜（EELS）實時記錄了碳元素的鍵合狀態(tài)。隨著反應(yīng)進行，金剛烷特有的C-C骨架信號逐漸消失，而C-H鍵的特征峰先是減弱，最終完全消退，取而代之的是典型金剛石的譜圖。尤其是在約296eV和325eV處出現(xiàn)的寬峰，與高溫高壓金剛石的信號高度一致，證明了這些產(chǎn)物確實是高質(zhì)量的立方納米金剛石。
顯微鏡下氫氣泡爆裂及能譜追蹤C-H斷裂和金剛石晶格生成過程
這項工作不僅展示了一種全新的金剛石合成途徑，更改寫了我們對電子束化學(xué)的認識。過去，電子束常被視作破壞有機物的“殺手”；而現(xiàn)在，它被證明能以受控方式激活化學(xué)反應(yīng)，完成對稱精準的結(jié)構(gòu)構(gòu)建。這些發(fā)現(xiàn)對電子光刻、表面工程和電子顯微鏡等領(lǐng)域有重要意義，也為高能粒子輻照驅(qū)動的金剛石形成假設(shè)提供了實驗支持。
參考來源：
1.高分子科學(xué)前沿
2.文章DOI：10.1126/science.adw2025
（中國粉體網(wǎng)編輯整理/石語）
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