Cientistas acabaram de descobrir uma maneira de criar diamantes sem calor ou pressão.

Feixes de elétrons transformam moléculas frágeis em nanodiamantes perfeitos, redefinindo a química em escala atômica.

Por Universidade de Tóquio com informações de Science Daily.

Cientistas da Universidade de Tóquio e seus colaboradores criaram uma nova abordagem para a formação de diamantes artificiais que oferece vantagens surpreendentes. Ao preparar cuidadosamente amostras à base de carbono e, em seguida, expô-las a um feixe de elétrons, os pesquisadores descobriram que seu processo não apenas converte o material em diamante, mas também protege substâncias orgânicas delicadas contra danos causados ​​pelo feixe. Esse avanço pode abrir caminho para métodos aprimorados de imagem e análise em ciência dos materiais e biologia.

Tradicionalmente, a produção de diamantes envolve a conversão de carbono sob pressões e temperaturas enormes, onde a forma do diamante é estável, ou por meio de deposição química de vapor, onde não é. O professor Eiichi Nakamura e sua equipe do Departamento de Química da Universidade de Tóquio seguiram um caminho diferente. Eles testaram uma técnica de baixa pressão usando irradiação eletrônica controlada em uma molécula conhecida como adamantano ( _{C₁₀H₁₆ )} .

O adamantano 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 adamantano em diamante, os cientistas precisam remover com precisão os átomos de hidrogênio (ligações CH) e substituí-los por ligações carbono-carbono (CC), organizando os átomos em uma rede cristalina tridimensional semelhante à do diamante. Embora essa via de reação fosse conhecida na teoria, Nakamura explicou que “O verdadeiro problema era que ninguém a considerava viável”.

Acompanhando a formação de diamantes em tempo real

Trabalhos anteriores utilizando espectrometria de massa indicaram que a ionização por um único elétron poderia ajudar a quebrar ligações CH, mas esse método só permitia inferir estruturas na fase gasosa e não isolava produtos sólidos. Para superar essa limitação, o grupo de Nakamura recorreu à microscopia eletrônica de transmissão (MET), uma ferramenta capaz de gerar imagens de materiais com resolução atômica. Eles expuseram minúsculos cristais de adamantano a feixes de elétrons de 80 a 200 quiloeletronvolts a temperaturas entre 100 e 296 kelvins, em vácuo, por vários segundos.

Essa configuração permitiu à equipe observar diretamente o processo de formação de nanodiamantes. Além de demonstrar como a irradiação por elétrons impulsiona a polimerização e a reestruturação, o experimento revelou o potencial da microscopia eletrônica de transmissão (MET) para o estudo de reações controladas em outras moléculas orgânicas também.

Para Nakamura, que dedicou décadas à química sintética e computacional, este projeto representou a culminação 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 elétrons destruiriam as moléculas orgânicas, mas a persistência de Nakamura desde 2004 demonstrou que, sob as condições adequadas, eles podem, em vez disso, desencadear reações estáveis ​​e previsíveis.

Construindo nanodiamantes sob o feixe

Sob exposição prolongada, o processo produziu nanodiamantes quase perfeitos com estrutura cristalina cúbica e diâmetros de até 10 nanômetros, juntamente com a liberação de gás hidrogênio. Imagens de TEM revelaram como cadeias de moléculas de adamantano se transformaram gradualmente em nanodiamantes esféricos, com a taxa de reação controlada pela quebra das ligações CH. Outros hidrocarbonetos não produziram o mesmo resultado, ressaltando a adequação única do adamantano para o crescimento de diamantes.

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

Um sonho que levou duas décadas para se concretizar.

Ao refletir sobre a descoberta, Nakamura descreveu-a 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, desde que lhes confiramos propriedades adequadas para serem irradiadas”, afirmou. Sua conquista pode remodelar permanentemente a forma como os cientistas utilizam feixes de elétrons, oferecendo uma visão mais clara das transformações químicas que ocorrem sob irradiação.

Fonte da história:
Materiais fornecidos pela Universidade de Tóquio . Observação: o conteúdo pode ser editado quanto ao estilo e extensão.

Referência do periódico :
Jiarui Fu, Takayuki Nakamuro, Eiichi Nakamura. “Formação rápida de nanodiamantes em baixa temperatura por ativação por feixe de elétrons de ligações C-H de adamantano”. Ciência , 2025; 389 (6764): 1024 DOI: 10.1126/science.adw2025

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