Abordagem Alternativa para a Produção de Diamantes

Tradicionalmente, a produção de diamantes envolve a conversão de carbono sob enormes pressões e temperaturas, onde a forma diamante é estável, ou por meio de deposição química a vapor, onde não é. O Professor Eiichi Nakamura e sua equipe do Departamento de Química da Universidade de Tóquio seguiram um caminho diferente. Eles testaram uma técnica de baixa pressão usando irradiação controlada por elétrons em uma molécula conhecida como adamanatana (C₁₀H₁₆).

A adamanatana possui uma estrutura de carbono que espelha a estrutura tetraédrica do diamante, tornando-a um material inicial atraente para a formação de nanodiamantes. No entanto, para transformar a adamanatana em diamante, os cientistas devem remover precisamente os átomos de hidrogênio (ligações C-H) e substituí-los por ligações carbono-carbono (C-C), organizando os átomos em uma rede tridimensional de diamante. Embora esse caminho de reação fosse conhecido teoricamente, Nakamura explicou que “O verdadeiro problema era que ninguém achava que era viável.”

Observando a Formação de Diamantes em Tempo Real

Trabalhos anteriores usando espectrometria de massa indicaram que a ionização por um único elétron poderia ajudar a quebrar ligações C-H, mas esse método só conseguia inferir estruturas na fase gasosa e não conseguia isolar produtos sólidos. Para superar essa limitação, o grupo de Nakamura recorreu à microscopia eletrônica de transmissão (TEM), uma ferramenta que pode imagear materiais com resolução atômica. Eles expuseram pequenos cristais de adamanatana a feixes de elétrons de 80-200 quiloeletrovolts a temperaturas entre 100-296 kelvins em vácuo por vários segundos.

Essa configuração permitiu que a equipe observasse diretamente o processo de formação de nanodiamantes. Além de demonstrar como a irradiação por elétrons impulsiona a polimerização e reestruturação, o experimento revelou o potencial da TEM para estudar reações controladas em outras moléculas orgânicas também.

Para Nakamura, que passou décadas em química sintética e computacional, este projeto representou a culminação de um objetivo de longa data. “Os dados computacionais fornecem caminhos de reação ‘virtuais’, mas eu queria ver com meus próprios olhos,” disse ele. Muitos acreditavam que feixes de elétrons destruíssem moléculas orgânicas, mas a persistência de Nakamura desde 2004 mostrou que, sob as condições certas, eles podem, ao contrário, desencadear reações estáveis e previsíveis.

Construindo Nanodiamantes Sob o Feixe

Com a exposição prolongada, o processo produziu nanodiamantes quase perfeitos com uma estrutura cristalina cúbica e diâmetros de até 10 nanômetros, além da liberação de gás hidrogênio. A imagem TEM revelou como cadeias de moléculas de adamanatana gradualmente se transformavam em nanodiamantes esféricos, com a taxa de reação controlada pela quebra de ligações C-H. Outros hidrocarbonetos não conseguiram produzir o mesmo resultado, ressaltando a singularidade da adamanatana para o crescimento de diamantes.

A descoberta abre novas possibilidades para manipular reações químicas em áreas como litografia eletrônica, ciência de superfícies e microscopia. Os pesquisadores também sugerem que processos similares de irradiação de alta energia podem explicar como diamantes se formam naturalmente em meteoritos ou em rochas ricas em urânio. Além disso, o método poderia apoiar a fabricação de pontos quânticos dopados, componentes-chave para computação quântica e sensores avançados.

Um Sonho de Duas Décadas em Formação

Refletindo sobre a descoberta, Nakamura a descreveu como a realização de uma visão de 20 anos. “Este exemplo de síntese de diamante é a demonstração definitiva de que os elétrons não destroem moléculas orgânicas, mas permitem que elas passem por reações químicas bem definidas, se implantarmos propriedades adequadas nas moléculas a serem irradiadas,” disse ele. Sua conquista pode mudar permanentemente a forma como os cientistas usam feixes de elétrons, oferecendo uma visão mais clara das transformações químicas que ocorrem sob irradiação.