Cientistas da Universidade de Tóquio e seus colaboradores desenvolveram 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 de 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 enormes pressões e temperaturas, onde a forma diamante é estável, ou utilizando deposição química em vapor, onde não é. O professor Eiichi Nakamura e sua equipe do Departamento de Química da Universidade de Tóquio buscaram 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-se um material inicial atraente para a formação de nanodiamantes. No entanto, para transformar adamantano em diamante, os cientistas devem remover precisamente átomos de hidrogênio (ligações C-H) e substituí-los por ligações carbono-carbono (C-C), organizando os átomos em uma rede tridimensional de diamante. Embora esse caminho de reação fosse conhecido teoricamente, Nakamura explicou que “o verdadeiro problema era que ninguém achava viável.”
Observando a Formação do Diamante em Tempo Real
Trabalhos anteriores usando espectrometria de massas indicaram que a ionização de elétron único poderia ajudar a quebrar ligações C-H, mas esse método só poderia inferir estruturas na fase gasosa e não conseguiria isolar produtos sólidos. Para superar essa limitação, o grupo de Nakamura recorreu à microscopia eletrônica de transmissão (TEM), uma ferramenta que pode imaginar materiais em resolução atômica. Eles expuseram pequenos cristais de adamantano a feixes de elétrons de 80 a 200 quiloelectron volts a temperaturas entre 100 e 296 kelvins em um vácuo por vários segundos.
Esse arranjo permitiu que a equipe observasse diretamente o processo de formação de nanodiamantes. Além de demonstrar como a irradiação eletrônica impulsiona a polimerização e reestruturação, o experimento revelou o potencial da TEM para estudar reações controladas em outras moléculas orgânicas também.
Para Nakamura, que passou décadas na química sintética e computacional, este projeto representou a culminação de um objetivo de longa data. “Os dados computacionais oferecem caminhos de reação ‘virtuais’, mas eu queria ver com meus próprios olhos,” disse ele. Muitos acreditavam que feixes de elétrons destruiriam moléculas orgânicas, mas a persistência de Nakamura desde 2004 mostrou que, sob as condições certas, eles podem, em vez disso, desencadear reações estáveis e previsíveis.
Construindo Nanodiamantes Sob o Feixe
Com exposição prolongada, o processo produziu nanodiamantes quase perfeitos com uma estrutura cristalina cúbica e diâmetros de até 10 nanômetros, juntamente com a liberação de gás hidrogênio. A imagem TEM revelou como cadeias de moléculas de adamantano se transformaram gradualmente em nanodiamantes esféricos, com a taxa de reação controlada pela quebra das ligações C-H. Outros hidrocarbonetos não conseguiram produzir o mesmo resultado, destacando a singular adequação do adamantano para o crescimento de diamantes.
A descoberta abre novas possibilidades para manipular reações químicas em campos como litografia eletrônica, ciência de superfícies e microscopia. Os pesquisadores também sugerem que processos de irradiação de alta energia semelhantes podem explicar como os diamantes se formam naturalmente em meteoritos ou rochas ricas em uranio. Além disso, o método pode apoiar a fabricação de pontos quânticos dopados, componentes-chave para computação quântica e sensores avançados.
Um Sonho de Duas Décadas em Realização
Refletindo sobre o avanço, Nakamura descreveu-o como a realização de uma visão de 20 anos. “Este exemplo de síntese de diamante é a demonstração máxima de que os elétrons não destroem moléculas orgânicas, mas permitem que elas passem por reações químicas bem definidas, se instalarmos propriedades adequadas nas moléculas a serem irradiadas,” disse ele. Sua conquista pode transformar permanentemente a forma como os cientistas usam feixes de elétrons, oferecendo uma visão mais clara das transformações químicas que ocorrem sob irradiação.
