中國科學(xué)家合成“隕石鉆石” 硬度超越立方金剛石

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2026-03-19 13:46:56 手機(jī)光明網(wǎng)

金剛石是自然界最硬的物質(zhì)，通常大家所說的金剛石是立方金剛石。鄭州大學(xué)物理學(xué)院教授楊西貴及其團(tuán)隊(duì)成功合成出毫米級尺寸的純相六方金剛石塊材，并精確解析了其晶體結(jié)構(gòu)，揭示了全新的相變機(jī)制。相關(guān)研究結(jié)果發(fā)表于《自然》。

金剛石因其最高的硬度、優(yōu)異的熱導(dǎo)率和最快的聲傳輸速度，在磨具磨料、珠寶首飾、散熱材料、極端環(huán)境光學(xué)元件及未來半導(dǎo)體等諸多領(lǐng)域中展現(xiàn)出廣闊的應(yīng)用前景。傳統(tǒng)金剛石為立方晶系結(jié)構(gòu)，而早在64年前，研究者從理論上預(yù)測六方晶系金剛石可能存在。1967年，科學(xué)家在隕石中發(fā)現(xiàn)了一種六方結(jié)構(gòu)的碳同素異形體，即六方金剛石，又稱為“朗斯代爾石”或“隕石鉆石”。獨(dú)特的原子堆垛方式賦予它超越立方金剛石的硬度，引起了學(xué)界的廣泛關(guān)注。

在碳材料的研究中，碳原子共有三種雜化軌道類型，即sp1、sp2、sp3，分別代表著碳原子之間不同的連接形態(tài)。楊西貴介紹，sp1家族有碳鏈、碳環(huán)、石墨炔，sp2家族有石墨、石墨烯、富勒烯、碳納米管，sp3家族目前只有立方金剛石被廣泛應(yīng)用。他猜測，一定還有其他家族成員未被確認(rèn)，而六方金剛石的可能性最大。

從2021年起，鄭州大學(xué)金剛石材料與器件團(tuán)隊(duì)便開啟了六方金剛石的合成與研究之路。2025年，就在團(tuán)隊(duì)投稿《自然》后審稿返修時，吉林大學(xué)和北京高壓科學(xué)研究中心的科研團(tuán)隊(duì)先后合成出了六方金剛石塊材，并發(fā)表研究論文。楊西貴表示，這相當(dāng)于近幾年來三個獨(dú)立研究組在求解同一個問題：六方金剛石能否在實(shí)驗(yàn)室合成？但在論文發(fā)表之前，他們互相都不知道對方的工作。

這項(xiàng)工作整整經(jīng)歷了五年時間。天然六方金剛石的形成源于隕石撞擊所產(chǎn)生的極端條件，過程短暫且概率極低。它僅以納米級顆粒嵌在隕石中，極難分離。而且，六方金剛石在實(shí)驗(yàn)條件下的形成能壘高于立方金剛石，導(dǎo)致高溫高壓合成產(chǎn)物多以立方相為主。因此，六方金剛石能否獨(dú)立穩(wěn)定存在，長期以來一直存在爭議。

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