南开团队最新研究成果登上《科学》
文章导读
你是否想过，金刚石竟能在接近零下200℃的极低温下被快速合成？南开大学中村荣一团队在《科学》发表突破性成果，颠覆了传统高温高压的人工造钻模式。他们利用电子束照射金刚烷分子，在数秒内便制得尺寸均一、近乎完美的球形单晶纳米金刚石，产率接近100%。这项技术不仅破解了纳米金刚石难以精准控制的难题，更揭示了碳–氢键断裂的关键机制，为量子传感与药物递送等前沿应用铺平道路。一种全新的金刚石合成路径，正在开启材料科学的新篇章。
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（通讯员 吴婧譞）近日，南开大学讲座教授中村荣一团队在《科学》（Science）上发表题为“Rapid, Low-temperature Nanodiamond Formation by Electron-beam Activation of Adamantane C–H Bonds”的最新研究成果。
金刚石凭借优异的硬度、传热能力等突出特性，长期以来在多个领域备受关注。人工合成金刚石通常需在极端高温高压条件下进行，而由此制得的纳米金刚石不仅难以精准控制尺寸，其结构缺陷也难以避免。因此，如何在纳米尺度上实现金刚石的高精度合成一直是该领域亟待突破的重大难题。
中村荣一教授团队的这项研究，以具有10个碳原子的笼状类金刚石骨架的有机分子为原料，在室温或更低温度的真空环境中经数秒至数分钟电子束照射，成功合成出尺寸均一、形状规整的球形单晶纳米金刚石。纳米金刚石已被证实可用于量子传感、药物递送等重要领域，为相关材料的未来应用拓展打开了新局面。
球形单晶纳米金刚石合成示意图
团队利用原子分辨率透射电子显微镜，成功实现了通过电子束照射金刚石骨架结构的金刚石烷晶体，合成纳米级球形金刚石（nano diamond，ND）。传统的金刚石合成通常需要极其严苛的条件，团队以金刚烷分子的自由基阳离子作为重要中间体，在−173℃至室温、10⁻5 Pa的温和环境下，短时间内完成了材料合成。值得关注的是，通过原位观察与反应速率分析证实，研究人员成功合成出粒径高度均一（2–8 nm）的金刚石，且产率接近100%。此外，该研究揭示碳–氢键断裂为反应的速率决定步骤，并确认最终形成的金刚石表面以氢原子封端。这种基于电子束照射的精密有机合成手法，为金刚石合成开辟了全新反应路径。
南开大学讲座教授、日本东京大学化学系特别教授中村荣一为通讯作者之一，南开大学为文章通讯单位之一。
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