Обычные пути получения алмазов хорошо известны: либо это природные процессы на глубине сотен километров при температурах свыше 1500°C и давлениях в десятки гигапаскалей, либо индустриальный метод химического осаждения из газовой фазы (CVD). Однако оба способа энергоёмки и дороги, а полученные кристаллы редко бывают безупречными. Подход Накамуры отличается радикально: он использует электронный пучок просвечивающего электронного микроскопа, который в других условиях разрушают органические материалы, а здесь запускает химическую реакцию.

Исходным материалом стал адамантан — углеводород с уникальной клеточной структурой, напоминающей алмазную решётку. При облучении электронами атомы водорода постепенно отрываются, освобождая углеродный каркас, и те связываются друг с другом, формируя настоящую кристаллическую решётку алмаза. «Вычислительные модели предсказывают возможные пути реакции, но я хотел увидеть её своими глазами», — пояснил профессор Накамура в интервью японским СМИ.

Он признал, что с 2004 года его работа воспринималась коллегами скептически: считалось, что органика под электронным лучом обречена на разрушение.

Вместо разрушения исследователи получили стабильные наноалмазы, причём процесс проходил в умеренных условиях, без давления и нагрева. Выделяющийся водород уходил в газовую фазу, а кристаллы постепенно нарастали. По словам авторов, ключевым фактором оказался именно адамантан: другие углеводороды не давали аналогичного результата.

Значение открытия выходит далеко за пределы академической химии. Наноалмазы уже сейчас активно исследуются в квантовой физике: их так называемые центры окраски используются как сенсоры магнитных полей и элементы будущих квантовых процессоров. Возможность выращивать такие кристаллы управляемым образом открывает новые горизонты для квантовых технологий. В материаловедении метод может дать новые инструменты для литографии и поверхностной инженерии: фактически речь идёт о возможности «записывать» материалы электронным пучком с атомарной точностью.

Есть и космическая перспектива: если в лаборатории алмазы могут формироваться под воздействием электронов, то и в метеоритах они могли появляться не только под давлением и температурой, но и благодаря космическим лучам. Это может пересмотреть взгляды астрохимиков на происхождение углеродных минералов в Солнечной системе.

Эксперты отмечают, что работа Накамуры вписывается в более широкий тренд пересмотра роли электронных пучков.

Если раньше они воспринимались как инструмент разрушения, то теперь становятся средством управляемого синтеза. «Это революция для микроскопии, — считает профессор Масаюки Кондо из Киотского университета, — ведь впервые электронный луч используется не как деструктивный, а как созидательный фактор».

Остаются и вопросы: масштабируем ли процесс, можно ли получить алмазы большего размера и насколько стабильны такие кристаллы вне микроскопа. Но даже на уровне фундаментальной науки результат впечатляет: алмазы, ценившиеся человечеством тысячелетиями, теперь можно буквально «рисовать» пучком электронов.