科学家找到了无需高温高压就能造出钻石的方法

传统上，金刚石的生产需要在金刚石稳定存在的极高压力和温度下转化碳，或者通过化学气相沉积法（此时金刚石并不稳定）。东京大学化学系的荣一·中村教授及其团队则另辟蹊径。他们测试了一种低压技术，对一种名为金刚烷（C10H16）的分子进行受控电子照射。

金刚烷的碳骨架与金刚石的四面体结构相似，使其成为合成纳米金刚石的理想起始材料。然而，要将金刚烷转化为金刚石，科学家必须精确去除氢原子（即断裂C-H键），并用碳-碳（C-C）键取代，将原子排列成三维金刚石晶格。尽管这种反应路径在理论上已知，但中村解释道：“真正的问题在于，没人认为这可行。”

实时观察金刚石形成过程
早期利用质谱法的研究表明，单电子电离有助于断裂C-H键，但该方法只能推断气相中的结构，无法分离固体产物。为克服这一局限，中村团队转而使用透射电子显微镜（TEM），这是一种能以原子分辨率成像材料的工具。他们将微小的金刚烷晶体置于真空中，在100-296开尔文温度下，用80-200千电子伏特的电子束照射数秒。

这种装置使团队能够直接观察纳米金刚石的形成过程。除了证明电子照射如何驱动聚合和结构重组外，实验还揭示了TEM在研究其他有机分子受控反应方面的潜力。

对于从事合成与计算化学数十年的中村而言，这个项目是他长期目标的结晶。“计算数据能提供‘虚拟’的反应路径，但我想用自己的眼睛看到它，”他说。许多人认为电子束会破坏有机分子，但中村自2004年以来的坚持表明，在适当条件下，电子束反而能引发稳定、可预测的反应。

在电子束下合成纳米金刚石
经过长时间照射，该过程生成了近乎完美的立方晶体结构纳米金刚石，直径可达10纳米，同时释放出氢气。TEM成像显示，金刚烷分子链如何逐渐转化为球形纳米金刚石，其反应速率由C-H键的断裂控制。其他碳氢化合物无法产生相同结果，突显了金刚烷在金刚石生长中的独特适用性。

这一发现为电子光刻、表面科学和显微镜等领域的化学反应调控开辟了新可能。研究人员还指出，类似的高能照射过程或许能解释陨石或富铀岩石中天然金刚石的形成机制。此外，该方法有望用于制备掺杂量子点——量子计算和先进传感器的关键组件。

二十年梦想的实现
回顾这一突破，中村将其描述为20年愿景的实现。“这种金刚石合成案例充分证明，只要我们让被照射分子具备合适的特性，电子束不会破坏有机分子，反而能让它们发生明确的化学反应，”他说。他的成果可能会永久改变科学家使用电子束的方式，为研究照射下的化学转化提供更清晰的窗口。