رویای ۲۰ ساله محقق شد: رشد الماس با پرتو الکترون

داستان چگونگی تولد نانوالماس‌ها از مولکولی شبیه به خودشان

خلاصه داستان

از دیرباز، تولید الماس مصنوعی نیازمند شرایطی شبیه به دل زمین بوده است: فشاری معادل میلیاردها برابر فشار هوا و گرمایی که سنگ را آب کند. اما تیمی از دانشمندان ژاپنی به سرپرستی پروفسور ایچی ناکامورا از دانشگاه توکیو، پس از ۲۰ سال تلاش، راهی کاملاً متفاوت پیدا کردهاند: رشد دادن الماس با پرتو الکترون، در دما و فشار عادی. آنها دریافتند اگر مولکولی به نام آدامانتان—که خودش شبیه الماس است—را در معرض پرتو الکترون قرار دهید، نه‌تنها تجزیه نمیشود، بلکه تبدیل به نانوالماس‌های بی‌نقص میشود. این کشف میتواند راه را برای تصویربرداری از مولکول‌های آلی در سطح اتمی باز کند و حتی درکی تازه از تولد الماس در شهاب‌سنگ‌ها به ما بدهد.

 چرا این خبر مهم است؟

تاکنون، باور رایج در میان متخصصان میکروسکوپ الکترونی این بود که مولکول‌های آلی وقتی زیر پرتو الکترون قرار میگیرند، تجزیه میشوند و از بین میروند. همین تصور باعث میشد بسیاری از واکنش‌های شیمیایی را نتوان از نزدیک و در سطح اتمی زیر نظر گرفت. اما پروفسور ناکامورا ۲۰ سال عمرش را صرف ثابت کردن خلاف این موضوع کرده است. او میگوید: «من میخواستم واکنش‌های شیمیایی را با چشمان خودم ببینم، نه فقط در شبیه‌سازی‌های کامپیوتری.»

و حالا این رویا محقق شده است. تیم او نشان داده که اگر مولکول را به‌درستی انتخاب کنی، پرتو الکترون نه‌تنها آن را نابود نمیکند، که میتواند واکنش‌های کنترل‌شده و دقیقی را در آن رقم بزند. و نتیجه؟ الماس.

آدامانتان؛ مولکولی که شبیه الماس است

آدامانتان (C10H16) یک مولکول کوچک کربنی است که ساختارش دقیقاً مثل یک تکه کوچک از شبکه الماس است. هر دو دارای چارچوب چهاروجهی (tetrahedral) و متقارنی هستند—یعنی اتم‌های کربنشان دقیقاً در همان آرایش فضایی قرار گرفتهاند. این شباهت، آدامانتان را به ماده اولیهای جذاب برای ساخت نانوالماس تبدیل میکرد، اما مشکل این بود که هیچ‌کس نمیدانست چطور باید این تبدیل را عملی کرد.

در تئوری، کافی بود پیوندهای کربن–هیدروژن (C–H) آدامانتان شکسته شوند تا پیوندهای کربن–کربن (C–C) جدیدی شکل بگیرند و شبکه سه‌بعدی الماس رشد کند. اما همهی کسانی که با میکروسکوپ الکترونی کار کرده بودند، میگفتند این غیرممکن است؛ چون مولکول‌های آلی در برابر پرتو الکترون دوام نمیآورند.

نگاه کردن به واکنش شیمیایی با چشم خود

پروفسور ناکامورا سی سال روی شیمی سنتز و پانزده سال روی شبیه‌سازی‌های کوانتومی کار کرده بود. شبیه‌سازی‌ها مسیرهای «مجازی» واکنش‌ها را نشان میدادند، اما او میخواست این مسیرها را واقعاً ببیند. میگوید: «من میخواستم آن را با چشمان خودم ببینم.»

او و همکارانش تصمیم گرفتند با میکروسکوپ الکترونی عبوری (TEM) به آدامانتان نگاه کنند—نه فقط برای دیدن شکل ظاهری‌اش، بلکه برای دیدن لحظه‌به‌لحظه تبدیلش به الماس. آنها میکروکریستال‌های آدامانتان را با پرتوهای ۸۰ تا ۲۰۰ کیلوالکترون‌ولتی در خلاء و در دماهای بسیار پایین (۱۰۰ تا ۲۹۶ کلوین) تابش دادند. و آنچه دیدند، چشم‌نواز بود.

تولد نانوالماس‌ها

مولکول‌های آدامانتان به‌جای نابود شدن، به هم چسبیدند. ابتدا الیگومرهایی (مولکول‌های کوچک‌تر به‌هم‌پیوسته) ساختند، و سپس این الیگومرها به‌آرامی به کره‌های کوچکی از نانوالماس تبدیل شدند—نانوالماس‌هایی با ساختار کریستال مکعبی و بدون هیچ نقص، تا قطر ۱۰ نانومتر. در حین این فرآیند، گاز هیدروژن به بیرون پرتاب میشد—درست همان‌طور که از شکست پیوندهای C–H انتظار میرفت.

نکته جذاب این بود که تیم همین آزمایش را با هیدروکربن‌های دیگری هم امتحان کردند، اما هیچ‌کدام نانوالماس تشکیل ندادند. فقط آدامانتان، با آن ساختار منحصربه‌فردش، توانست این معجزه را رقم بزند.

چرا این واکنش تحت کنترل است؟

نکته کلیدی در این است که محققان شرایط را به‌دقت کنترل کردند. دما، شدت پرتو، و مدت‌زمان تابش—همه مهم بودند. در این شرایط، سرعت شکست پیوندهای C–H به‌گونه‌ای تنظیم میشود که مولکول‌ها فرصت دارند آرام و منظم کنار هم بنشینند و شبکه الماس بسازند، بدون آنکه به‌طور تصادفی تجزیه شوند.

این دقیقاً همان چیزی است که ناکامورا میگفت: «الکترون‌ها مولکول‌های آلی را نابود نمیکنند، بلکه اجازه میدهند آنها واکنش‌های شیمیایی به‌خوبی تعریف‌شده‌ای را طی کنند—البته اگر ما ویژگی‌های مناسبی را در مولکول‌ها قرار دهیم.»

چه دریچه‌هایی باز میشود؟

این کشف تنها درباره ساختن الماس نیست. دریچه‌های بسیار بزرگ‌تری را باز میکند:

۱. تصویربرداری از مولکول‌های زنده:حالا میدانیم میتوان مولکول‌های آلی را زیر میکروسکوپ الکترونی بدون نابودی آنها مطالعه کرد. این یعنی میتوانیم واکنش‌های زیست‌شیمیایی را در سطح اتمی ببینیم.

۲. لیتوگرافی الکترونی و مهندسی سطح:میتوانیم با پرتو الکترون ساختارهای نانویی دلخواه بسازیم.

۳. فهم تولد الماس در شهاب‌سنگ‌ها: این یافته‌ها از فرضیه‌های دیرینه‌ای حمایت میکنند که میگویند الماس‌های موجود در شهاب‌سنگ‌ها و سنگ‌های رسوبی حاوی اورانیوم، ممکن است توسط تابش ذرات پرانرژی در فضا ساخته شده باشند.

۴. نقاط کوانتومی برای کامپیوترهای کوانتومی: نانوالماس‌های آلاییده (doped) میتوانند به‌عنوان نقاط کوانتومی برای ساخت کامپیوترهای کوانتومی و حسگرهای پیشرفته استفاده شوند.

 پایان یک رویای ۲۰ ساله

برای ناکامورا، این لحظه پایان یک سفر طولانی است. او میگوید: «این نمونه از سنتز الماس، نهایی‌ترین نمایش این است که الکترون‌ها مولکول‌های آلی را نابود نمیکنند، بلکه اجازه میدهند آنها واکنش‌های شیمیایی دقیقی را طی کنند.»

این کشف، بازیگوشی با قوانین طبیعت نیست؛ بلکه همکاری با آن است. شناخت ظرافت‌ها و استفاده از آنها برای دیدن آنچه تاکنون پنهان بود.

و شاید این درس بزرگ‌تری هم باشد: گاهی چیزی که همه میگویند غیرممکن است، فقط به یک نگاه تازه و حوصله بیست‌ساله نیاز دارد.

---

Sources

Fu, J., Nakamuro, T., & Nakamura, E. (2025). Rapid, low-temperature nanodiamond formation by electron-beam activation of adamantane C–H bonds. 

Science. DOI: 10.1126/science.adw2025