Tokyo dévoile une méthode pour créer des nanodiamants jusqu’à 10 nanomètres sans pression

Il existe différentes méthodes pour créer des diamants artificiels, mais une nouvelle méthode mise au point par des chercheurs, notamment ceux de l’université de Tokyo, présente certains avantages supplémentaires. En préparant spécialement des échantillons pour les convertir en diamants à l’aide d’un faisceau d’électrons, l’équipe a découvert que sa méthode pouvait être utilisée pour protéger les échantillons organiques des dommages généralement causés par un tel faisceau. Cela pourrait déboucher sur de nouvelles techniques d’imagerie et d’analyse puissantes.

La synthèse du diamant est un processus qui nécessite généralement la conversion de sources de carbone dans des conditions extrêmes (pressions de plusieurs dizaines de gigapascals et températures de plusieurs milliers de kelvins), où le diamant est thermodynamiquement stable, ou des techniques de dépôt chimique en phase vapeur, où il est instable.

Une équipe dirigée par le professeur Eiichi Nakamura du département de chimie de l’université de Tokyo a exploré une approche alternative à basse pression par irradiation électronique contrôlée d’une molécule de cage carbonée appelée adamantane (C10H16). Le diamant et l’adamantane partagent un squelette carboné tétraédrique symétrique, avec des atomes de carbone disposés selon le même schéma spatial, ce qui fait de l’adamantane un précurseur intéressant pour la production de nanodiamants.

Cependant, pour que la conversion soit réussie, il faut couper avec précision les liaisons C-H terminales de l’adamantane afin de former de nouvelles liaisons C-C, tout en assemblant les monomères en un réseau diamanté tridimensionnel. Bien que cela fût de notoriété publique dans le domaine, « le vrai problème était que personne ne pensait que cela était faisable », a déclaré M. Nakamura.

Auparavant, la spectrométrie de masse, une technique d’analyse qui trie les ions en fonction de leur masse et de leur charge, avait montré que l’ionisation à électron unique pouvait être utilisée pour faciliter cette coupure de liaison C-H. Cependant, la spectrométrie de masse ne permet que de déduire la formation de structures en phase gazeuse et ne permet pas d’isoler les produits des réactions intermoléculaires. L’équipe a été amenée à surveiller l’ionisation par impact électronique de l’adamantane solide à une résolution atomique à l’aide d’une technique d’analyse et d’imagerie appelée microscopie électronique à transmission (MET), en irradiant des sous-microcristaux à 80-200 kiloélectrons-volts à 100-296 kelvins sous vide pendant plusieurs dizaines de secondes. Non seulement cette méthode permettrait de révéler l’évolution de la formation des nanodiamants polymérisés, mais elle aurait également des implications importantes pour le potentiel du TEM en tant qu’outil permettant de résoudre les réactions contrôlées d’autres molécules organiques.

Pour Nakamura, qui a travaillé pendant 30 ans dans le domaine de la chimie synthétique et pendant 15 ans dans celui des calculs quantiques computationnels, cette étude représentait une opportunité révolutionnaire. « Les données informatiques vous donnent des chemins de réaction « virtuels », mais je voulais le voir de mes propres yeux », a-t-il ajouté. « Cependant, les spécialistes du TEM s’accordaient généralement à dire que les molécules organiques se décomposent rapidement lorsqu’on les expose à un faisceau d’électrons. Depuis 2004, mes recherches ont consisté en une lutte constante pour prouver le contraire. »

Le processus a permis d’obtenir des nanodiamants sans défaut, de structure cristalline cubique, accompagnés d’éruptions d’hydrogène gazeux, d’un diamètre pouvant atteindre 10 nanomètres sous irradiation prolongée. Les images TEM résolues en temps ont illustré le passage des oligomères d’adamantane formés se transformant en nanodiamants sphériques, modérés par le taux de clivage C-H. L’équipe a également testé d’autres hydrocarbures, qui n’ont pas réussi à former des nanodiamants, soulignant ainsi la pertinence de l’adamantane comme précurseur.

Ces résultats ouvrent une nouvelle voie pour comprendre et contrôler la chimie dans les domaines de la lithographie électronique, de l’ingénierie des surfaces et de la microscopie électronique. L’analyse de la conversion des nanodiamants confirme l’hypothèse de longue date selon laquelle la formation de diamants dans les météorites extraterrestres et les roches sédimentaires carbonées contenant de l’uranium pourrait être due à l’irradiation par des particules à haute énergie. M. Nakamura a également souligné l’intérêt de cette découverte pour la synthèse de points quantiques dopés, essentiels à la construction d’ordinateurs et de capteurs quantiques.

Comme dernier chapitre d’un rêve de recherche vieux de 20 ans, Nakamura a conclu : « Cet exemple de synthèse du diamant est la démonstration ultime que les électrons ne détruisent pas les molécules organiques, mais leur permettent de subir des réactions chimiques bien définies, si nous installons des propriétés appropriées dans les molécules à irradier. »

En changeant à jamais la donne dans les domaines utilisant les faisceaux d’électrons pour la recherche, son rêve pourrait désormais fournir aux scientifiques une vision leur permettant de clarifier les interactions sous irradiation électronique.

Jiarui Fu, Takayuki Nakamuro, Eiichi Nakamura, « Rapid, low-temperature nanodiamond formation by electron-beam activation of adamantane C–H bonds, » Science: September 4, 2025, DOI :10.1126/science.adw2025.

Source : U. Tokyo