中國科學(xué)家合成“隕石鉆石” 硬度超越立方金剛石(2)

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2026-03-19 13:46:56 手機(jī)光明網(wǎng)

六方金剛石和立方金剛石就像一對“孿生兄弟”，立方金剛石已被人熟知，六方金剛石卻不經(jīng)?！艾F(xiàn)身”。如果僅拿到六方金剛石模糊的、局部的照片，不足以明確區(qū)分二者。科研團(tuán)隊(duì)要做的，一是利用外界條件“逼迫”六方金剛石“現(xiàn)身”；二是找到獨(dú)屬于六方金剛石的特征標(biāo)志，幫助人們精準(zhǔn)區(qū)分。

基于以往的研究基礎(chǔ)，科研團(tuán)隊(duì)決定從技術(shù)路線突破，以高定向熱解石墨為原材料，精準(zhǔn)控制壓力和溫度條件，開發(fā)大腔體單軸高壓技術(shù)，誘導(dǎo)石墨中的碳原子重組成六方金剛石。通常高溫高壓設(shè)備通過液壓系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)對樣品各個方向的均勻加壓，而要想石墨“變身”六方金剛石，僅需要施加軸方向上的壓力。楊西貴解釋說，聽起來似乎很簡單，但實(shí)際操作是在原子尺度上“捏橡皮泥”，“捏”的力度相當(dāng)于20萬個標(biāo)準(zhǔn)大氣壓，還要在1300攝氏度的高溫下進(jìn)行。為了實(shí)現(xiàn)這一構(gòu)想，團(tuán)隊(duì)開發(fā)了大腔體單軸高壓技術(shù)和合成工藝。在這一技術(shù)加持下，高定向熱解石墨中的碳原子受限滑移，構(gòu)成了六方金剛石獨(dú)特的堆疊結(jié)構(gòu)。

由于六方金剛石和立方金剛石的原子結(jié)構(gòu)高度相似，當(dāng)科研人員讓六方金剛石成功“現(xiàn)身”后，還需要找到它獨(dú)特的印跡，避免認(rèn)錯。鄭州大學(xué)物理學(xué)院教授程少博介紹，團(tuán)隊(duì)利用同步輻射X射線衍射、球差校正透射電子顯微鏡及電子能量損失譜等手段，系統(tǒng)解析了六方金剛石的晶體結(jié)構(gòu)與成鍵特征，獲得了清晰的原子級分辨圖像。這就像是找到了它的獨(dú)特“指紋”，清楚無疑地確認(rèn)了它的身份。

六方金剛石獨(dú)特的六方晶體對稱性改變了材料內(nèi)部抵抗應(yīng)力的方式，使其能更有效地抵御剪切破壞。理論預(yù)測顯示，在面對特定條件下的極端受力時(shí)，六方金剛石的硬度比立方金剛石高58%。后續(xù)的性能測試表明，科研團(tuán)隊(duì)制備出的六方金剛石維氏硬度和剪切模量均優(yōu)于傳統(tǒng)的立方金剛石。這意味著一種預(yù)期性能更為極致的超硬材料終于走出了理論預(yù)測和隕石傳說，成為人類可以制備和研究的實(shí)體。這一研究也被審稿人評價(jià)為“極具說服力，呈現(xiàn)了更完整的研究全貌，解決了六方金剛石存在性這一長期爭議的問題”。

未來，團(tuán)隊(duì)一方面希望不斷優(yōu)化合成技術(shù)制備出單晶，另一方面希望把樣品尺寸做大，推動其在多個領(lǐng)域的實(shí)際應(yīng)用。

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(責(zé)任編輯：zhangxiaohua)

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