球形のナノダイヤモンドを低温・低圧下で合成~有機分子の電子線照射による化学反応の精密制御~

2025-09-05 東京大学

東京大学の中村栄一特任教授らの研究グループは、ダイヤモンド骨格を持つ有機分子アダマンタン結晶に電子線を数秒照射することで、従来の超高温・超高圧条件を用いず、低温(–173~23℃)・低圧(10⁻⁵ Pa)下で球形ナノダイヤモンドを合成することに成功しました。透過電子顕微鏡によるその場観察と速度論解析から、電子線照射でアダマンタン分子がラジカルカチオン化し、C–H結合の選択的開裂とラジカル二量化を経てダイヤモンド骨格が成長する反応経路を解明しました。その結果、直径2–8 nmで均一な単結晶ナノダイヤモンドをほぼ100%の収率で得ることに成功。さらに反応を進めると多結晶の球形ナノダイヤモンドも形成できました。本成果は、量子センシングやドラッグデリバリーなど応用分野に直結する新たな合成技術を提供するとともに、隕石中のナノダイヤモンド生成機構の解明にもつながる可能性を示しています。成果は学術誌 Science に掲載されました。

球形のナノダイヤモンドを低温・低圧下で合成~有機分子の電子線照射による化学反応の精密制御~
アダマンタンからのナノダイヤモンド合成

<関連情報>

アマンタンC–H結合の電子線活性化による迅速・低温ナノダイヤモンド形成 Rapid, low-temperature nanodiamond formation by electron-beam activation of adamantane C–H bonds

Jiarui Fu, Takayuki Nakamuro, and Eiichi Nakamura
Science  Published:4 Sep 2025
DOI:https://doi.org/10.1126/science.adw2025

Editor’s summary

Adamantane can adopt the same tetrahedral carbon skeleton as diamond. Fu et al. found that electron-beam irradiation of adamantane crystallites in a transmission electron microscope at low temperatures (296 to 100 K) and under vacuum conditions led to the activation of carbon-hydrogen bonds. These conditions enabled the formation of carbon-carbon bonds to create a diamond lattice. —Phil Szuromi

Abstract

Diamond and adamantane (Ad) share a Td-symmetric carbon skeleton, but converting Ad to diamond has been challenging because it requires selective carbon-hydrogen (C–H) bond cleavage and monomer assembly into a diamond lattice. Our approach differs from the conventional high-temperature, high-pressure diamond syntheses. We electron-irradiated Ad submicrocrystals at 80 to 200 kilo–electron volts and 100 to 296 kelvin in vacuum for tens of seconds. This process yielded defect-free nanodiamonds (NDs) of cubic crystal structure, accompanied by hydrogen gas evolution. Time-resolved transmission electron microscopy revealed the initial formation of Ad oligomers transforming into spherical NDs. A sizable kinetic isotope effect indicates that C–H cleavage was rate-determining, and other hydrocarbons tested failed to form NDs.

0500化学一般
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