Cientistas da Universidade de Tóquio e seus colaboradores desenvolveram um novo método para produzir diamantes sintéticos que oferece benefícios surpreendentes. Ao preparar cuidadosamente amostras à base de carbono e depois expô-las a um feixe de eletrões, os investigadores descobriram que o seu processo não só transforma o material em diamante, mas também protege a delicada matéria orgânica dos danos causados pelo feixe. Esses avanços podem abrir caminho para métodos aprimorados de imagem e análise em ciência e biologia de materiais.
Tradicionalmente, a produção de diamantes envolve a conversão de carbono a altas pressões e temperaturas, onde a forma do diamante é estável, ou a utilização de deposição química de vapor, onde não o é. O professor de química da Universidade de Tóquio, Eiichi Nakamura, e sua equipe seguiram um caminho diferente. Eles testaram uma técnica de baixa pressão usando irradiação controlada de elétrons em uma molécula conhecida como adamantano (C).10H16)
O Adamanteno possui uma estrutura de carbono que espelha a estrutura tetraédrica do diamante, tornando-o um material de partida atraente para a formação de nanodiamantes. No entanto, para transformar o índigo em diamante, os cientistas devem remover 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 fosse conhecida em teoria, Nakamura explicou que “o verdadeiro problema era que ninguém pensava que fosse possível”.
Assistindo a formação de diamantes em tempo real
Trabalhos anteriores usando espectrometria de massa indicam que a ionização de um único elétron pode ajudar a quebrar as ligações CH, mas este método só pode estimar estruturas em fase gasosa e não pode isolar produtos sólidos. Para superar essa limitação, a equipe de Nakamura usou microscopia eletrônica de transmissão (TEM), uma ferramenta que pode gerar imagens de materiais em resolução atômica. Eles expuseram minúsculos cristais refratários a um feixe de elétrons de 80-200 quiloelétron-volts a temperaturas entre 100-296 Kelvin no vácuo por alguns segundos.
Esta configuração permitiu à equipe observar diretamente o processo de formação do nanodiamante. Além de demonstrar como a irradiação de elétrons impulsiona a polimerização e a reorganização, o experimento revelou o potencial do TEM para estudar também reações controladas em outras biomoléculas.
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 resposta ‘virtuais’, mas eu queria ver isso com meus próprios olhos”, disse ele. Muitos acreditavam que os feixes de electrões destruiriam moléculas orgânicas, mas desde 2004 a persistência de Nakamura mostrou que, nas condições certas, podem desencadear reacções estáveis e previsíveis.
Fabricação de nanodiamantes sob feixe
Sob exposição prolongada, o processo produz nanodiamantes quase perfeitos com uma estrutura cristalina densa e diâmetros de até 10 nanômetros com liberação de gás hidrogênio. A imagem TEM revelou como cadeias de moléculas insolúveis se transformam gradualmente em nanodiamantes esféricos, com a taxa de reação controlada pela quebra da ligação CH. Outros hidrocarbonetos não conseguiram produzir resultados semelhantes, sublinhando a adequação única do adamantano para o crescimento de diamantes.
A descoberta abre novas possibilidades para a condução de reações químicas em áreas como litografia eletrônica, ciência de superfície e microscopia. Os pesquisadores também sugerem que um processo semelhante de radiação de alta energia poderia explicar como os diamantes se formam naturalmente em meteoritos ou rochas ricas em urânio. Além disso, o método poderia apoiar a fabricação de componentes principais para pontos quânticos dopados, computação quântica e sensores avançados.
Um sonho que está sendo realizado há duas décadas
Refletindo sobre o progresso, Nakamura descreveu-o como a concretização de uma visão de 20 anos. “Este exemplo de síntese de diamante é a demonstração definitiva de que os elétrons não destroem as moléculas orgânicas, mas permitem que elas sofram reações químicas bem definidas, se estabelecermos as propriedades adequadas para irradiar as moléculas”, disse ele. Sua conquista pode mudar permanentemente a forma como os cientistas usam os feixes de elétrons, oferecendo uma janela clara para as transformações químicas que ocorrem sob a radiação.
