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南開大學(xué)講座教授中村榮一團(tuán)隊(duì)最新研究成果登上《Science》

來源:南開大學(xué)      2025-09-16
導(dǎo)讀:近日,南開大學(xué)講座教授中村榮一團(tuán)隊(duì)在《科學(xué)》(Science)上發(fā)表題為“Rapid, Low-temperature Nanodiamond Formation by Electron-beam Activation of Adamantane C–H Bonds”的最新研究成果。




  金剛石憑借優(yōu)異的硬度、傳熱能力等突出特性,長(zhǎng)期以來在多個(gè)領(lǐng)域備受關(guān)注。人工合成金剛石通常需在極端高溫高壓條件下進(jìn)行,而由此制得的納米金剛石不僅難以精準(zhǔn)控制尺寸,其結(jié)構(gòu)缺陷也難以避免。因此,如何在納米尺度上實(shí)現(xiàn)金剛石的高精度合成一直是該領(lǐng)域亟待突破的重大難題。

  中村榮一教授團(tuán)隊(duì)的這項(xiàng)研究,以具有10個(gè)碳原子的籠狀類金剛石骨架的有機(jī)分子為原料,在室溫或更低溫度的真空環(huán)境中經(jīng)數(shù)秒至數(shù)分鐘電子束照射,成功合成出尺寸均一、形狀規(guī)整的球形單晶納米金剛石。納米金剛石已被證實(shí)可用于量子傳感、藥物遞送等重要領(lǐng)域,為相關(guān)材料的未來應(yīng)用拓展打開了新局面。

  


球形單晶納米金剛石合成示意圖

  團(tuán)隊(duì)利用原子分辨率透射電子顯微鏡,成功實(shí)現(xiàn)了通過電子束照射金剛石骨架結(jié)構(gòu)的金剛石烷晶體,合成納米級(jí)球形金剛石(nano diamond,ND)。傳統(tǒng)的金剛石合成通常需要極其嚴(yán)苛的條件,團(tuán)隊(duì)以金剛烷分子的自由基陽(yáng)離子作為重要中間體,在?173℃至室溫、10?5 Pa的溫和環(huán)境下,短時(shí)間內(nèi)完成了材料合成。值得關(guān)注的是,通過原位觀察與反應(yīng)速率分析證實(shí),研究人員成功合成出粒徑高度均一(2–8?nm)的金剛石,且產(chǎn)率接近100%。此外,該研究揭示碳–氫鍵斷裂為反應(yīng)的速率決定步驟,并確認(rèn)最終形成的金剛石表面以氫原子封端。這種基于電子束照射的精密有機(jī)合成手法,為金剛石合成開辟了全新反應(yīng)路徑。

  南開大學(xué)講座教授、日本東京大學(xué)化學(xué)系特別教授中村榮一為通訊作者之一,南開大學(xué)為文章通訊單位之一。

  論文鏈接:https://www.science.org/doi/10.1126/science.adw2025


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