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近日，南開大學(xué)講座教授中村榮一團(tuán)隊在《科學(xué)》（Science）上發(fā)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(yōu)異的硬度、傳熱能力等突出特性，長期以來在多個領(lǐng)域備受關(guān)注。人工合成金剛石通常需在極端高溫高壓條件下進(jìn)行，而由此制得的納米金剛石不僅難以精準(zhǔn)控制尺寸，其結(jié)構(gòu)缺陷也難以避免。因此，如何在納米尺度上實現(xiàn)金剛石的高精度合成一直是該領(lǐng)域亟待突破的重大難題。

中村榮一教授團(tuán)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(jī)分子為原料，在室溫或更低溫度的真空環(huán)境中經(jīng)數(shù)秒至數(shù)分鐘電子束照射，成功合成出尺寸均一、形狀規(guī)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(lǐng)域，為相關(guān)材料的未來應(yīng)用拓展打開了新局面。

球形單晶納米金剛石合成示意圖

團(tuán)隊利用原子分辨率透射電子顯微鏡，成功實現(xiàn)了通過電子束照射金剛石骨架結(jié)構(gòu)的金剛石烷晶體，合成納米級球形金剛石（nano diamond，ND）。傳統(tǒng)的金剛石合成通常需要極其嚴(yán)苛的條件，團(tuán)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?5Pa的溫和環(huán)境下，短時間內(nèi)完成了材料合成。值得關(guān)注的是，通過原位觀察與反應(yīng)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(chǎn)率接近100%。此外，該研究揭示碳–氫鍵斷裂為反應(yīng)的速率決定步驟，并確認(rèn)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(jī)合成手法，為金剛石合成開辟了全新反應(yīng)路徑。

南開大學(xué)講座教授、日本東京大學(xué)化學(xué)系特別教授中村榮一為通訊作者之一，南開大學(xué)為文章通訊單位之一。

論文鏈接：https://www.science.org/doi/10.1126/science.adw2025

來源：南開新聞網(wǎng)訊