Os cientistas acabaram de encontrar uma maneira de cultivar diamantes sem calor ou pressão

Tradicionalmente, a produção de diamantes envolve a conversão de carbono a enormes pressões e temperaturas, onde a forma do diamante é estável, ou através da deposição química de vapor, onde não o 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 controlada de elétrons em uma molécula conhecida como adamantano (C₁₀H₁₆).

Adamantane possui uma estrutura de carbono que reflete 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 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 fosse conhecida em teoria, Nakamura explicou que “o verdadeiro problema era que ninguém a considerava viável”.

Assistindo à 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 poderia isolar produtos sólidos. Para superar essa limitação, o grupo de Nakamura recorreu à microscopia eletrônica de transmissão (TEM), uma ferramenta que pode gerar imagens de materiais em resolução atômica. Eles expuseram minúsculos cristais de adamantano a feixes de elétrons de 80-200 quiloelétron-volts a temperaturas entre 100-296 kelvins no vácuo por vários 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 reestruturação, o experimento revelou o potencial do TEM para estudar também reações controladas em outras moléculas orgânicas.

Para Nakamura, que passou décadas na química sintética e computacional, este projeto representou 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.

Construindo nanodiamantes sob o feixe

Sob 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 gradualmente se transformaram em nanodiamantes esféricos, com a taxa de reação controlada pela quebra das ligações CH. Outros hidrocarbonetos não conseguiram produzir o mesmo resultado, sublinhando a aptidão 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 superfície e microscopia. Os investigadores 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 apoiar a fabricação de pontos quânticos dopados, componentes-chave para computação quântica e sensores avançados.

Um sonho em construção 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 é a demonstração definitiva de que os elétrons não destroem as moléculas orgânicas, mas as deixam sofrer reações químicas bem definidas, se instalarmos propriedades adequadas nas moléculas a serem irradiadas”, disse ele. Sua conquista pode remodelar permanentemente a forma como os cientistas usam os feixes de elétrons, oferecendo uma janela mais clara para as transformações químicas que ocorrem sob irradiação.