Diamanten die je niet van natuurlijke kunt onderscheiden, maar tóch volledig in het lab gemaakt – en dat zonder extreme hitte of druk. Japanse onderzoekers hebben een revolutionaire methode ontwikkeld die dit mogelijk maakt.
Onderzoekers van de Universiteit van Tokio hebben een revolutionaire methode ontwikkeld om nanodiamanten te creëren met behulp van een elektronenstraal. Deze ontdekking kan een nieuwe standaard zetten voor materiaalonderzoek en hightech toepassingen.
Volgens de studie, gepubliceerd in Science, heeft het team onder leiding van professor Eiichi Nakamura nanodiamanten van ongeveer 10 nanometer groot weten te maken. In tegenstelling tot traditionele methodes, zoals HPHT (High Pressure High Temperature) of CVD (Chemical Vapor Deposition), zijn hier geen extreme condities nodig: alleen een zorgvuldig gecontroleerde elektronenstraal.
Van adamantaan naar diamant
Het geheim zit in adamantaan, een kooi-vormig koolwaterstofmolecuul dat dezelfde tetraëdrische koolstofstructuur heeft als diamant. Elk koolstofatoom is in adamantaan echter gebonden aan waterstof. Door de kristallen onder een transmissie-elektronenmicroscoop (TEM) te beschieten met elektronen, verwijderde het team de waterstofatomen en vormden de koolstofatomen nieuwe bindingen. Zo ontstond langzaam een perfect diamantrooster.
Normaal gesproken vernietigt een elektronenstraal organische moleculen, maar Nakamura’s onderzoek toont het tegendeel: met de juiste moleculaire voorstructuur kan de elektronenstraal juist een gecontroleerde chemische reactie initiëren. Daarbij komt waterstofgas vrij en blijven foutloze nanodiamanten over.
Moleculen omzetten in functionele materialen
De ontdekking opent een compleet nieuwe toepassing van elektronenmicroscopie: niet alleen kijken, maar bouwen op nanoschaal. Dit concept, soms Electron Beam Chemistry genoemd, laat zien dat organische moleculen met precisie kunnen worden omgezet in functionele materialen, mits de moleculaire structuur geschikt is.
Veelbelovende toepassingen
De mogelijkheden van deze nanodiamanten zijn breed:
- Quantumtechnologie: nanodiamanten kunnen zogenaamde color centers bevatten, defecten die essentieel zijn voor qubits in quantumcomputers en ultrasensitieve sensoren.
- Lithografie en materiaalbewerking: elektronenstralen kunnen materialen op nanoschaal “schrijven” voor geavanceerde microchips of oppervlaktecoatings.
- Astrochemie: de ontdekking ondersteunt de theorie dat diamantvorming in meteorieten en kosmisch materiaal kan plaatsvinden via stralingsprocessen, niet alleen door hitte en druk.
- Medische toepassingen en fotonica: zuivere nanodiamanten kunnen dienen als contrastmiddelen of in lichtgeleidingssystemen.
Niet te onderscheiden van ‘echte’ diamanten
Labdiamanten bestaan al tientallen jaren via HPHT of CVD, maar die zijn vaak nog te onderscheiden van natuurlijke diamanten door sporen van hun productie, zoals groeilijnen of katalysatorresten.
De nanodiamanten van Nakamura zijn fundamenteel anders: hun kristalstructuur is puur diamant en ze vertonen geen typische HPHT- of CVD-signaturen. Hierdoor zijn ze op structureel niveau niet van natuurlijke diamanten te onderscheiden.
Het proces is momenteel niet goedkoop en beperkt tot nanoschaal, maar het principe is baanbrekend: diamanten kunnen voortaan worden gevormd zonder extreme druk of hitte, alleen met precisie-elektronen.
Doorbraak op nanoschaal
Deze ontdekking markeert een fundamentele verschuiving in materiaalwetenschap en microscopie: elektronen kunnen niet alleen analyseren, maar ook gecontroleerde chemische reacties op nanoschaal veroorzaken.
Wat begint met piepkleine nanodiamanten, kan op termijn leiden tot nieuwe quantumtechnologieën, verbeterde materiaalbewerking en een beter begrip van diamantvorming in het universum.
