“金刚石是自然界最硬的物质，通常大家说的是立方金刚石，我们如今合成出的六方金刚石硬度比它更高。”郑州大学物理学院教授杨西贵告诉《中国科学报》。
近日，郑州大学金刚石材料与器件团队成功合成出毫米级尺寸的纯相六方金刚石块材，并精确解析了其晶体结构，揭示了全新的相变机制。相关研究结果于3月5日在《自然》杂志在线发表。
合成的六方金刚石的晶体结构、X射线衍射和原子级分辨图像 采访对象供图
群雄逐鹿，求解六方金刚石的合成之谜
金刚石凭借其最高的硬度、优异的热导率、最快的声传输速度等特点，在磨具磨料、珠宝首饰、散热材料、极端环境光学元件及未来半导体等诸多领域中展现出广阔的应用前景，它被誉为“工业牙齿”和“终极半导体”。
传统金刚石为立方晶系结构，而在64年前，研究者从理论上预测六方晶系金刚石可能存在。1967年，科学家在陨石中发现了一种六方结构的碳同素异形体，即六方金刚石，又称为“朗斯代尔石”或“陨石钻石”。独特的原子堆垛方式赋予它超越立方金刚石的硬度，引起了学界的广泛关注。
在碳材料的研究中，碳原子共有三种杂化轨道类型，即sp1、sp2、sp3，分别代表着碳原子之间不同的连接形态。
杨西贵介绍，“sp1家族有碳链、碳环、石墨炔，sp2家族有石墨、石墨烯、富勒烯、碳纳米管，sp3家族目前只有立方金刚石被广泛应用。我们猜测，一定还有着其它家族成员未被确认，而六方金刚石的可能性最大。”
因此，从2021年起，杨西贵所在的郑州大学金刚石材料与器件团队便开启了六方金刚石的合成与研究之路。
2025年，就在团队即将宣告研究成功、在《自然》杂志审稿返修时，吉林大学和北京高压科学研究中心的科研团队先后合成出了六方金刚石块材，并发表研究论文。
“相当于近几年来，三个独立研究组在求解同一个问题：六方金刚石能否在实验室合成？但在论文发表之前，我们互相都不知道对方的工作。”杨西贵说。
开发新技术，迫使六方金刚石“现身”
从这项研究到发表，整整经历了5年时间。为什么时间这么久？
杨西贵介绍，这是由于天然六方金刚石的形成源于陨石撞击所产生的极端条件，过程短暂且概率极低。它仅以纳米级颗粒嵌在陨石中，极难分离。且六方金刚石在实验条件下的形成能垒高于立方金刚石，导致高温高压合成产物多以立方相为主。因此，六方金刚石是否能够独立稳定存在，长期以来一直存在争议。
六方金刚石和立方金刚石就像一对儿“孪生兄弟”，立方金刚石已被人熟知，六方金刚石却不经常“现身”，如果仅拿到六方金刚石模糊的、局部的照片，不足以明确区分二者。科研团队要做的，一是要利用外界条件“逼迫”六方金刚石“现身”，二是要找到独属于六方金刚石的特征标志、帮助人们精准区分。
基于以往的研究基础，科研团队决定从技术路线突破，以高定向热解石墨为原材料，精准控制压力和温度条件，开发大腔体单轴高压技术，诱导石墨中的碳原子重组成六方金刚石。
通常高温高压设备通过液压系统实现对样品各个方向的均匀加压，而要想让石墨“变身”成六方金刚石，仅需要施加轴向方向上的压力。
“听起来似乎很简单，把前后左右方向上的压力去掉不就行了？但其实这是在原子尺度上‘捏橡皮泥’，‘捏’的力度相当于20万个标准大气压，还要在1300摄氏度的高温下进行。”杨西贵说，“为了实现这一构想，团队开发了大腔体单轴高压技术和合成工艺，在这一技术加持下，高定向热解石墨中的碳原子受限滑移，构成了六方金刚石独特的堆叠结构。”
合成单晶、做大尺寸
由于六方金刚石和立方金刚石的原子结构高度相似，当科研人员让六方金刚石成功“现身”后，还需要找到它独特的印迹，避免认错。
本文共同通讯作者之一、郑州大学物理学院教授程少博介绍，团队利用同步辐射X射线衍射、球差校正透射电子显微镜及电子能量损失谱等手段，系统解析了六方金刚石的晶体结构与成键特征，获得了清晰的原子级分辨图像。这就像是找到了它的独特“指纹”，明白无疑地确认了它的身份。
合成的六方金刚石的晶体结构、X射线衍射和原子级分辨图像采访对象供图
六方金刚石独特的六方晶体对称性，改变了材料内部抵抗应力的方式，使其能更有效地抵御剪切破坏。理论预测显示，在面对特定条件下的极端受力时，六方金刚石的硬度比立方金刚石高58%。
后续的性能测试表明，科研团队制备出的六方金刚石维氏硬度和剪切模量均优于传统的立方金刚石。
这意味着，一种预期性能更为极致的超硬材料，终于走出了理论预测和陨石传说，成为了人类可以制备和研究的实体。这一研究也被审稿人评价为“极具说服力、呈现了更完整的研究全貌、解决了六方金刚石存在性这一长期争议的问题。”
“未来我们一方面希望不断优化合成技术制备出单晶，另一方面希望把样品尺寸做大，推动其在多个领域的实际应用。”本文共同通讯作者之一、郑州大学物理学院教授单崇新说。
相关论文信息：
https://www.nature.com/articles/s41586-026-10212-4
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