Científicos de la Universidad de Tokio y sus colaboradores han desarrollado un nuevo método para fabricar diamantes sintéticos que ofrece beneficios sorprendentes. Al preparar cuidadosamente muestras a base de carbono y luego exponerlas a un haz de electrones, los investigadores descubrieron que su proceso no sólo transforma el material en diamante sino que también protege la delicada materia orgánica del daño del haz. Estos avances podrían allanar el camino para mejorar los métodos de análisis e imágenes en ciencia de materiales y biología.
Tradicionalmente, la producción de diamantes ha implicado la conversión de carbono a altas presiones y temperaturas, donde la forma del diamante es estable, o el uso de deposición química de vapor, donde no lo es. El profesor de química de la Universidad de Tokio, Eiichi Nakamura, y su equipo siguieron un camino diferente. Probaron una técnica de baja presión que utiliza irradiación electrónica controlada en una molécula conocida como adamantano (C).10h16)
Adamantene tiene una estructura de carbono que refleja la estructura tetraédrica del diamante, lo que lo convierte en un material de partida atractivo para la formación de nanodiamantes. Sin embargo, para transformar el índigo en diamante, los científicos deben eliminar los átomos de hidrógeno (enlaces CH) y reemplazarlos con enlaces carbono-carbono (CC), ordenando los átomos en una red tridimensional de diamante. Aunque esta vía de reacción era conocida en teoría, Nakamura explicó que “el verdadero problema era que nadie lo creía posible”.
Observando la formación de diamantes en tiempo real.
Trabajos anteriores que utilizan espectrometría de masas indican que la ionización de un solo electrón puede ayudar a romper los enlaces C-H, pero este método solo puede estimar estructuras en fase gaseosa y no puede aislar productos sólidos. Para superar esta limitación, el equipo de Nakamura utilizó microscopía electrónica de transmisión (TEM), una herramienta que puede obtener imágenes de materiales con resolución atómica. Expusieron pequeños cristales refractarios a un haz de electrones de 80 a 200 kiloelectrones voltios a temperaturas entre 100 y 296 Kelvin en el vacío durante unos segundos.
Esta configuración permitió al equipo observar directamente el proceso de formación de nanodiamantes. Además de demostrar cómo la irradiación de electrones impulsa la polimerización y la reorganización, el experimento reveló el potencial de TEM para estudiar también reacciones controladas en otras biomoléculas.
Para Nakamura, que ha dedicado décadas a la química sintética y computacional, el proyecto representa la culminación de un objetivo de larga data. “Los datos computacionales brindan rutas de respuesta ‘virtuales’, pero yo quería verlo con mis ojos”, dijo. Muchos creían que los rayos de electrones destruirían las moléculas orgánicas, pero desde 2004 la perseverancia de Nakamura ha demostrado que, en las condiciones adecuadas, pueden desencadenar reacciones estables y predecibles.
Fabricación de nanodiamantes bajo viga.
Bajo una exposición prolongada, el proceso produce nanodiamantes casi perfectos con una estructura cristalina densa y diámetros de hasta 10 nanómetros con la liberación de gas hidrógeno. Las imágenes TEM revelaron cómo las cadenas de moléculas insolubles se transforman gradualmente en nanodiamantes esféricos, con la velocidad de reacción controlada por la ruptura del enlace C-H. Otros hidrocarburos no lograron producir resultados similares, lo que subraya la idoneidad única del adamantano para el crecimiento de diamantes.
El descubrimiento abre nuevas posibilidades para realizar reacciones químicas en campos como la litografía electrónica, la ciencia de superficies y la microscopía. Los investigadores también sugieren que un proceso similar de radiación de alta energía podría explicar cómo se forman los diamantes de forma natural en meteoritos o rocas ricas en uranio. Más allá de eso, el método podría respaldar la fabricación de componentes centrales para puntos cuánticos dopados, computación cuántica y sensores avanzados.
Un sueño que lleva dos décadas gestándose
Al reflexionar sobre el progreso, Nakamura lo describió como la realización de una visión de 20 años. “Este ejemplo de síntesis de diamantes es la demostración definitiva de que los electrones no destruyen las moléculas orgánicas, sino que les permiten sufrir reacciones químicas bien definidas, si establecemos las propiedades apropiadas para irradiar las moléculas”, afirmó. Su logro podría cambiar permanentemente la forma en que los científicos utilizan los rayos de electrones, ofreciendo una ventana clara a las transformaciones químicas que tienen lugar bajo la radiación.
