Trung tâm công nghệ sinh học Thành Phố Hồ Chí Minh

Nano kim cương - loại vật liệu có vai trò quan trọng trong nhiều ứng dụng rộng rãi như chẩn đoán hình ảnh y sinh, dẫn truyền thuốc, tính toán lượng tử và cảm biến, được tạo ra từ các tinh thể adamantane có nguồn gốc từ dầu mỏ bằng cách bắn phá electron năng lượng cao. Phương pháp tổng hợp này được phát hiện một cách ngẫu nhiên, giúp tạo ra các hạt nano kim cương không khuyết tật ở điều kiện chân không, nhiệt độ cực thấp, mà không cần chất xúc tác hay phụ gia và hệ giá đỡ trung gian, đồng thời có thể cung cấp một giải pháp thay thế nhanh chóng, an toàn, chi phí thấp cho các phương pháp nhiệt độ cao, áp suất cao hiện nay.

Adamantane là một hydrocarbon dạng tinh thể tồn tại trong tự nhiên, được chiết xuất từ dầu mỏ và có cấu trúc tương tự như kim cương. Cả hai đều có khung carbon đối xứng tứ diện với các nguyên tử carbon được sắp xếp theo cùng một mô hình không gian. Về mặt lý thuyết, bởi sự tương đồng này, người ta cho rằng các liên kết C-H của adamantane có thể được cắt đứt chính xác hoặc được kích hoạt để hình thành các liên kết C-C mới, từ đó chuyển đổi nó thành kim cương.
 

Nguồn: EgolenaHK/Shutterstock.
Cấu trúc của kim cương tự nhiên rất giống với cấu trúc của hydrocarbon adamantane nhưng việc chế tạo kim cương từ adamantane chưa từng được thực hiện trước đây
 

GS. Eiichi Nakamura từ Đại học Tokyo, Nhật Bản, nhận định rằng: Thách thức thực sự nằm ở chỗ không ai nghĩ rằng phương pháp này khả thi. Tuy nhiên, nhóm nghiên cứu của Nakamura đã tình cờ phát hiện ra phương pháp chiếu xạ adamantane bằng chùm electron năng lượng cao. Ông giải thích rằng: “Đây là một quy trình tổng hợp từ dưới lên, trong đó các phân tử adamantane tự sắp xếp theo cấu trúc ba chiều để hình thành các hạt nano kim cương đơn tinh thể có dạng hình cầu với độ phân tán kích thước cực thấp.

Trong các phương pháp tổng hợp truyền thống từ trên xuống, nano kim cương được tạo ra bằng cách chuyển hóa các nguồn carbon trong điều kiện khắc nghiệt - áp suất lên tới hàng chục gigapascal và nhiệt độ hàng nghìn kelvin, tạo ra kim cương ổn định về mặt nhiệt động học, hoặc bằng các kỹ thuật lắng đọng hơi hóa học, trong đó sản phẩm cuối cùng không ổn định. Nhóm nghiên cứu đã vô tình phát hiện ra điều này khi thực hiện một thí nghiệm khác, sử dụng nhiễu xạ electron để phân tích entropy của các tinh thể nóng chảy. Họ đặc biệt bị thu hút bởi việc quan sát thấy sự rối loạn entropy cực nhỏ trong adamantane, tương đương với sự rối loạn entropy của các tinh thể vàng. Xuất phát từ sự hiếu kỳ với hiện tượng này, sinh viên Jiarui Fu của GS. Nakamura đã tiến hành khảo sát chuyên sâu về phản ứng nhiễu xạ điện tử bằng cách chiếu xạ liên tục chùm electron vào một tinh thể adamantane có cấu trúc khuyết tật, vốn được dự đoán sẽ không xuất hiện bất kỳ đỉnh nhiễu xạ nào. Nakamura cho biết một kết quả bất ngờ đã xảy ra: các đỉnh nhiễu xạ dần hình thành và trở nên sắc nét hơn. Ngay lập tức, anh nhận ra rằng các đỉnh này chính là đặc trưng của các cấu trúc tinh thể kim cương ở kích thước nano.
 

Nguồn: Jiarui Fu, Takayuki Nakamuro & Eiichi Nakamura
Quá trình tổng hợp nano kim cương từ adamantane bằng cách chiếu xạ electron.
 

Các thí nghiệm tiếp theo đã hoàn thiện quy trình tổng hợp. Việc chiếu xạ electron vào các tinh thể adamantane ở mức năng lượng từ 80 đến 200 kiloelectronvolt trong môi trường chân không tại 100 K vài chục giây đã tạo ra các hạt nano kim cương không khuyết tật có đường kính 2–4 nm, đồng thời giải phóng khí hydro. Kỹ thuật kính hiển vi điện tử truyền qua theo thời gian thực đã tiết lộ sự hình thành của các oligomer adamantane và sự chuyển hóa thành các hạt nano kim cương hình cầu. Trong khi đó, các hydrocarbon khác được thử nghiệm đều không tạo ra nano kim cương. Nakamura cho biết những phát hiện này mở ra một mô hình mới để hiểu và kiểm soát hóa học trong lĩnh vực quang khắc electron và kỹ thuật bề mặt. Một ứng dụng đầy hứa hẹn là tổng hợp các chấm lượng tử pha tạp, vốn là thành phần thiết yếu cho việc chế tạo máy tính và cảm biến lượng tử. Bằng cách sử dụng hệ thống quang khắc electron hiện có, phương pháp này sẽ dễ dàng áp dụng cho việc chế tạo mảng kim cương nano ở quy mô nano. Phương pháp tiếp cận mới này tận dụng đặc tính độc đáo của các hợp chất kim cương nhân tạo, vốn trải qua quá trình oxy hóa đơn electron để tạo ra một cation. Cation này mất đi một nguyên tử hydro, tạo thành gốc tự do, sau đó sẽ kích hoạt các phản ứng kế tiếp với các vật liệu khởi đầu bổ sung nhằm hình thành các hạt kim cương hợp nhất. Peter Schreiner, chuyên gia nghiên cứu về nano kim cương tại Đại học Giessen, Đức, cho rằng adamantane là nguồn nguyên liệu dễ tiếp cận và quá trình chiếu xạ electron có khả năng mở rộng quy mô; phương pháp này hứa hẹn sẽ trở thành một quy trình tổng hợp hạt kim cương mới đầy khả thi.

Nguồn: https://www.chemistryworld.com/news/electron-irradiation-converts-hydrocarbon-crystals-into-nanodiamonds/4022086.article