近日，南開大學講座教授中村榮一團隊在《科學》（Science）上發表題為“Rapid, Low-temperature Nanodiamond Formation by Electron-beam Activation of Adamantane C–H Bonds”的最新研究成果。
金剛石憑借優異的硬度、傳熱能力等突出特性，長期以來在多個領域備受關注。人工合成金剛石通常需在極端高溫高壓條件下進行，而由此制得的納米金剛石不僅難以精準控制尺寸，其結構缺陷也難以避免。因此，如何在納米尺度上實現金剛石的高精度合成一直是該領域亟待突破的重大難題。
中村榮一教授團隊的這項研究，以具有10個碳原子的籠狀類金剛石骨架的有機分子為原料，在室溫或更低溫度的真空環境中經數秒至數分鐘電子束照射，成功合成出尺寸均一、形狀規整的球形單晶納米金剛石。納米金剛石已被證實可用于量子傳感、藥物遞送等重要領域，為相關材料的未來應用拓展打開了新局面。
團隊利用原子分辨率透射電子顯微鏡，成功實現了通過電子束照射金剛石骨架結構的金剛石烷晶體，合成納米級球形金剛石（nano diamond，ND）。傳統的金剛石合成通常需要極其嚴苛的條件，團隊以金剛烷分子的自由基陽離子作為重要中間體，在−173℃至室溫、10⁻5 Pa的溫和環境下，短時間內完成了材料合成。值得關注的是，通過原位觀察與反應速率分析證實，研究人員成功合成出粒徑高度均一（2–8 nm）的金剛石，且產率接近100%。此外，該研究揭示碳–氫鍵斷裂為反應的速率決定步驟，并確認最終形成的金剛石表面以氫原子封端。這種基于電子束照射的精密有機合成手法，為金剛石合成開辟了全新反應路徑。
南開大學講座教授、日本東京大學化學系特別教授中村榮一為通訊作者之一，南開大學為文章通訊單位之一。
論文鏈接：https://www.science.org/doi/10.1126/science.adw2025
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