Cientistas descobriram uma maneira de cultivar diamantes sem calor ou pressão

Tradicionalmente, a produção de diamantes envolve a transformação do carbono a enormes pressões e temperaturas, onde a forma do diamante é estável, ou a utilização de deposição química de vapor. O professor Eiichi Nakamura, do Departamento de Química da Universidade de Tóquio, e sua equipe seguiram um caminho diferente. Eles testaram uma técnica de baixa pressão usando irradiação controlada de elétrons em uma molécula chamada adamantano (C).₁₀H₁₆)

Adamantane tem uma estrutura de carbono que imita a estrutura tetraédrica do diamante, tornando-o um material de partida atraente para a criação de nanodiamantes. No entanto, para transformar o adamantano em diamante, os cientistas devem remover com precisão os átomos de hidrogénio (ligações CH) e substituí-los por ligações carbono-carbono (CC), organizando os átomos numa rede tridimensional de diamante. Embora esta via de reação seja teoricamente conhecida, explicou Nakamura, “o verdadeiro problema é que ninguém pensa que seja possível”.

Observando a formação de diamantes em tempo real

Trabalhos anteriores usando espectrometria de massa indicaram que a ionização de um único elétron poderia ajudar a quebrar as ligações CH, mas esse método só poderia inferir estruturas na fase gasosa e não isolar sólidos. Para superar essa limitação, a equipe de Nakamura recorreu à microscopia eletrônica de transmissão (TEM), uma ferramenta que gera imagens de materiais em resolução atômica. Eles expuseram pequenos cristais de adamantano no vácuo por vários segundos a feixes de elétrons de 80–200 kEv a temperaturas de 100–296 Kelvin.

O sistema permitiu à equipe monitorar diretamente o processo de formação do nanodiamante. Além de demonstrar como a radiação de elétrons impulsiona a polimerização e o rearranjo, o experimento demonstrou a capacidade do TEM de estudar também reações controladas em outras moléculas orgânicas.

Para Nakamura, que passou décadas na química sintética e computacional, o projeto representa o culminar de um objetivo de longa data. “Os dados computacionais fornecem caminhos de reação ‘virtuais’, mas eu queria ver com meus próprios olhos”, disse ele. Muitos acreditavam que os feixes de electrões destruiriam moléculas orgânicas, mas a persistência de Nakamura desde 2004 mostrou que, nas condições certas, podem desencadear reacções estáveis ​​e previsíveis.

Ligação de nanodiamantes sob feixe

Sob exposição prolongada, o processo produziu nanodiamantes quase perfeitos com estrutura cristalina cúbica e diâmetro de até 10 nanômetros com liberação de gás hidrogênio. A imagem TEM revelou como cadeias de moléculas de adamantano se transformam gradualmente em nanodiamantes esféricos, com a taxa de reação controlada pela quebra de ligações CH. Outros hidrocarbonetos não conseguiram produzir o mesmo resultado, sublinhando a adequação única do adamantano para o crescimento do diamante.

A descoberta abre novas possibilidades para a manipulação de reações químicas em áreas como litografia eletrônica, ciência de superfície e microscopia. Os investigadores também sugerem que processos semelhantes de radiação de alta energia podem explicar como os diamantes se formam naturalmente em meteoritos ou rochas ricas em urânio. Além disso, o método apoiará a fabricação de pontos quânticos dopados, componentes-chave para computação quântica e sensores avançados.

Um sonho que está sendo realizado há duas décadas

Refletindo sobre o avanço, Nakamura descreveu-o como a concretização de uma visão de 20 anos. “Este exemplo de síntese de diamante mostra que os elétrons não destroem moléculas orgânicas, mas sofrem reações químicas bem definidas, se as propriedades adequadas forem estabelecidas nas moléculas a serem irradiadas”, disse. Sua conquista pode mudar para sempre a forma como os cientistas usam os feixes de elétrons, fornecendo uma janela clara para as mudanças químicas que ocorrem sob a radiação.