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)隊便開啟了六方金剛石的合成與研究之路。2025年，就在團(tuán)隊投稿《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。

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?？蒲袌F(tuán)隊要做的，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，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。