과학자들은 열이나 압력 없이 다이아몬드를 성장시키는 방법을 발견했습니다.

전통적으로 다이아몬드 생산에는 엄청난 압력과 온도에서 다이아몬드 형태가 안정적인 경우 또는 그렇지 않은 경우 화학 기상 증착을 사용하여 탄소를 변환하는 작업이 포함됩니다. 도쿄대학교 화학과의 나카무라 에이이치(Eiichi Nakamura) 교수와 그의 팀은 다른 길을 추구했습니다. 그들은 아다만테인(C)으로 알려진 분자에 제어된 전자 조사를 사용하여 저압 기술을 테스트했습니다.₁₀시간₁₆).

Adamantane은 다이아몬드의 사면체 구조를 반영하는 탄소 골격을 갖고 있어 나노다이아몬드 형성을 위한 매력적인 출발 물질이 됩니다. 그러나 아다만탄을 다이아몬드로 변환하려면 과학자들은 수소 원자(CH 결합)를 정확하게 제거하고 이를 탄소-탄소(CC) 연결로 대체하여 원자를 3차원 다이아몬드 격자로 배열해야 합니다. 이 반응 경로는 이론상으로는 알려져 있었지만 “진짜 문제는 아무도 그것이 가능하다고 생각하지 않았다는 점”이라고 나카무라는 설명했다.

실시간으로 다이아몬드 형성 관찰

질량 분석법을 사용한 초기 연구에서는 단일 전자 이온화가 CH 결합을 끊는 데 도움이 될 수 있지만 이 방법은 기체상의 구조만 추론할 수 있고 고체 생성물을 분리할 수 없다는 것을 나타냈습니다. 이러한 한계를 극복하기 위해 Nakamura 연구팀은 원자 분해능으로 물질을 이미지화할 수 있는 도구인 투과전자현미경(TEM)으로 눈을 돌렸습니다. 그들은 작은 아다만탄 결정을 진공 상태에서 100-296 켈빈 사이의 온도에서 80-200 킬로전자 볼트의 전자빔에 몇 초 동안 노출시켰습니다.

이 설정을 통해 팀은 나노다이아몬드 형성 과정을 직접 관찰할 수 있었습니다. 전자 조사가 어떻게 중합과 구조 조정을 유도하는지 입증하는 것 외에도, 실험에서는 다른 유기 분자의 제어된 반응을 연구할 수 있는 TEM의 잠재력도 밝혀졌습니다.

합성화학과 계산화학 분야에서 수십 년을 보낸 나카무라에게 이 프로젝트는 오랜 목표의 정점을 의미했습니다. 그는 “계산 데이터는 ‘가상’ 반응 경로를 제공하는데, 나는 그것을 눈으로 보고 싶었다”고 말했다. 많은 사람들은 전자빔이 유기 분자를 파괴할 것이라고 믿었지만 2004년 이후 나카무라의 끈기는 올바른 조건에서 전자빔이 대신 안정적이고 예측 가능한 반응을 유발할 수 있음을 보여주었습니다.

빔 아래에 나노다이아몬드 만들기

장시간 노출 하에서 이 공정은 수소 가스 방출과 함께 입방체 결정 구조와 최대 10나노미터의 직경을 가진 거의 완벽한 나노다이아몬드를 생산했습니다. TEM 영상을 통해 아다만테인 분자 사슬이 점차적으로 구형 나노다이아몬드로 변하는 과정이 밝혀졌으며, 반응 속도는 CH 결합의 파괴에 의해 제어되었습니다. 다른 탄화수소는 동일한 결과를 얻지 못하여 아다만탄의 다이아몬드 성장에 대한 독특한 적합성을 강조합니다.

이번 발견은 전자 리소그래피, 표면 과학, 현미경과 같은 분야에서 화학 반응을 조작할 수 있는 새로운 가능성을 열어줍니다. 연구자들은 또한 유사한 고에너지 조사 과정이 운석이나 우라늄이 풍부한 암석에서 다이아몬드가 자연적으로 형성되는 방식을 설명할 수 있다고 제안합니다. 이 외에도 이 방법은 양자 컴퓨팅 및 고급 센서의 핵심 구성 요소인 도핑된 양자점의 제조를 지원할 수 있습니다.

20년에 걸친 꿈의 실현

나카무라 회장은 획기적인 발전을 되돌아보며 이를 20년 비전의 실현이라고 설명했습니다. “이 다이아몬드 합성 사례는 전자가 유기 분자를 파괴하지 않고, 조사할 분자에 적절한 특성을 설치하면 유기 분자가 잘 정의된 화학 반응을 겪게 한다는 궁극적인 증거입니다.”라고 그는 말했습니다. 그의 업적은 과학자들이 전자빔을 사용하는 방식을 영구적으로 재구성하여 조사 시 발생하는 화학적 변형에 대한 보다 명확한 창을 제공할 수 있습니다.