Científicos logran crear diamantes sin calor ni presión mediante electrones

Científicos de la Universidad de Tokio y sus colaboradores desarrollaron un método innovador para la formación de diamantes artificiales, que presenta ventajas sorprendentes. Al preparar cuidadosamente muestras basadas en carbono y exponerlas a un haz de electrones, los investigadores descubrieron que su proceso no solo convierte el material en diamante, sino que también protege sustancias orgánicas delicadas del daño por radiación. Este avance podría abrir nuevas posibilidades en métodos de imagen y análisis en ciencia de materiales y biología.

Tradicionalmente, la producción de diamantes implica convertir carbono bajo enormes presiones y temperaturas, donde la forma de diamante es estable, o mediante deposición química de vapor, donde no lo es. El profesor Eiichi Nakamura y su equipo en el Departamento de Química de la Universidad de Tokio optaron por un enfoque diferente. Probaron una técnica de baja presión utilizando irradiación electrónica controlada sobre una molécula conocida como adamantano (C₁₀H₁₆).

El adamantano tiene una estructura de carbono que refleja la estructura tetraédrica del diamante, lo que lo convierte en un material inicial atractivo para la formación de nanodiamantes. Sin embargo, para transformar el adamantano en diamante, los científicos deben eliminar con precisión los átomos de hidrógeno (enlaces C-H) y reemplazarlos con enlaces carbono-carbono (C-C), organizando los átomos en una red tridimensional de diamante. Aunque esta vía de reacción era conocida en teoría, Nakamura explicó que "el verdadero problema era que nadie pensaba que fuera factible".

Observando la formación de diamantes en tiempo real

Trabajos anteriores utilizando espectrometría de masas indicaron que la ionización por un solo electrón podría ayudar a romper los enlaces C-H, pero ese método solo podía inferir estructuras en fase gaseosa y no podía aislar productos sólidos. Para superar esta limitación, el grupo de Nakamura recurrió a la microscopía electrónica de transmisión (TEM), una herramienta que puede visualizar materiales a resolución atómica. Expusieron pequeños cristales de adamantano a haces de electrones de 80-200 kiloelectrón voltios a temperaturas entre 100-296 kelvins en un vacío durante varios segundos.

Este montaje permitió al equipo observar directamente el proceso de formación de nanodiamantes. Además de demostrar cómo la irradiación electrónica impulsa la polimerización y reestructuración, el experimento reveló el potencial de la TEM para estudiar reacciones controladas en otras moléculas orgánicas.

Para Nakamura, quien ha dedicado décadas a la química sintética y computacional, este proyecto representó la culminación de un objetivo de larga data. "Los datos computacionales te dan caminos de reacción 'virtuales', pero yo quería verlo con mis propios ojos", afirmó. Muchos creían que los haces de electrones destruirían las moléculas orgánicas, pero la persistencia de Nakamura desde 2004 ha demostrado que, bajo las condiciones adecuadas, pueden desencadenar reacciones estables y predecibles.

Construyendo nanodiamantes bajo el haz

Bajo una exposición prolongada, el proceso produjo nanodiamantes casi perfectos con una estructura cristalina cúbica y diámetros de hasta 10 nanómetros, junto con la liberación de gas hidrógeno. La imagen TEM reveló cómo cadenas de moléculas de adamantano se transformaron gradualmente en nanodiamantes esféricos, con la velocidad de reacción controlada por la ruptura de los enlaces C-H. Otros hidrocarburos no lograron producir el mismo resultado, subrayando la idoneidad única del adamantano para el crecimiento de diamantes.

Este descubrimiento abre nuevas posibilidades para manipular reacciones químicas en campos como la litografía electrónica, la ciencia de superficies y la microscopía. Los investigadores también sugieren que procesos de irradiación de alta energía similares podrían explicar cómo se forman los diamantes de manera natural en meteoritos o rocas ricas en uranio. Más allá de esto, el método podría apoyar la fabricación de puntos cuánticos dopados, componentes clave para la computación cuántica y sensores avanzados.

Un sueño de dos décadas en realización

Reflexionando sobre el avance, Nakamura lo describió como la realización de una visión de 20 años. "Este ejemplo de síntesis de diamantes es la demostración definitiva de que los electrones no destruyen las moléculas orgánicas, sino que les permiten someterse a reacciones químicas bien definidas, si instalamos propiedades adecuadas en las moléculas a irradiar", afirmó. Su logro podría cambiar permanentemente la forma en que los científicos utilizan los haces de electrones, ofreciendo una ventana más clara a las transformaciones químicas que ocurren bajo irradiación.

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