Наноалмазы из адамантана

Иллюстрация Петра Перевезенцева

Около 97% алмазов (по весу), используемых сегодня в промышленности, — синтетические. А что это такое? Синтетические алмазы также широко известны под именами HPHT-алмазы (high-pressure high-temperature — выращенные под высоким давлением и при высокой температуре) или CVD-алмазы (chemical vapor deposition — химически осажденные из пара).

Правда, торговцам термин «синтетические» не нравится. Федеральная торговая комиссия США даже предложила альтернативные термины: «выращенные в лаборатории», «созданные в лаборатории». Мол, термин «синтетические» у потребителей ассоциируется с чем-то, что имитирует оригинал. Однако синтетические алмазы абсолютно аутентичные, это чистый углерод в соответствующей аллотропной модификации.

К этим двум способам получения синтетических алмазов, которые сегодня активно используют, присоединился третий. Теперь алмазы можно получать из углеводорода адамантана (C₁₀H₁₆).

Адамантан

Этот метод позволяет избежать высоких температур и давлений, не требует катализаторов и добавок и дает синтетические алмазы с почти идеальной кристаллической решеткой. Его придумала и разработала команда химиков из Токийского университета.

Почему для синтеза алмаза химики выбрали именно адамантан? Это понятно. Оба вещества состоят из тетраэдрического симметричного атомного каркаса, в котором атомы углерода расположены в одном и том же пространственном порядке. Сказать легко, а вот сделать куда сложнее. Собственно задача заключалась в том, чтобы связи С—Н в адамантане превратить в связи С—С.

В предыдущих исследованиях было показано, что такая трансформация происходит, если адамантан бомбардировать одиночными электронами. Однако никому не удавалось таким способом создать и изолировать, то есть выделить, стабильные продукты.

Китайские исследователи с помощью просвечивающей электронной микроскопии (ПЭМ) детально изучили, что именно происходит с адамантаном под электронным пучком и какие условия лучше всего подходят для его преобразования. Они облучали кристаллы адамантана в вакууме электронами с энергией от 80 до 200 кэВ (килоэлектронвольт) в течение нескольких секунд. Температура при тестировании составляла от минус 173 до плюс 23°С.

В результате исследователи получили крошечные алмазные шарики с кристаллической структурой в форме куба диаметром 2–4 нм. При длительном облучении эти наноалмазы сливались, образуя двойные кристаллы диаметром 8–20 нм. В качестве побочного продукта образовывался водород.

Энергия для превращения адамантана в алмаз поступала исключительно от стреляющих электронов, в дополнительной тепловой энергии не было необходимости. Но главное заключается в том, что в этом процессе получаются идеальные кристаллы алмазов, без малейших повреждений и отклонений в кристаллической решетке.

Новый адамантановый метод теперь можно использовать для создания наноалмазов. Не для ювелирных изделий, конечно, а для квантовых датчиков. А исходный адамантан можно получить из природного газа или нефти.

Но у этого эксперимента китайских химиков есть и фундаментальный результат. Он доказывает, что электроны не разрушают органические молекулы, а склоняют их к определенным химическим реакциям. Под действием электронов алмазы могут образовываться не только в лаборатории, но и в природе, где есть аналогичные условия — то есть поток электронов.

Исследователи уже давно подозревают, что такие высокоэнергетические частицы, как космические лучи, сформировали алмазы, обнаруженные в метеоритах и урансодержащих отложениях на Земле. Теперь исследование подтверждает, что это возможно (Science).