《中國(guó)科學(xué)報(bào)》2026年3月18日 第3版

比鉆石還硬！鄭州大學(xué)團(tuán)隊(duì)成功合成毫米級(jí)六方金剛石

近日，鄭州大學(xué)物理學(xué)院金剛石材料與器件團(tuán)隊(duì)在超硬材料研究領(lǐng)域取得重大突破。該團(tuán)隊(duì)成功合成出毫米級(jí)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)研究成果于3月5日在線(xiàn)發(fā)表在國(guó)際頂尖期刊《自然》雜志上。

群雄逐鹿，求解六方金剛石合成難題

金剛石憑借其極高的硬度、優(yōu)異的熱導(dǎo)率和最快的聲傳輸速度，被譽(yù)為“工業(yè)牙齒”和“終極半導(dǎo)體”，在磨具磨料、珠寶首飾、散熱材料及未來(lái)半導(dǎo)體等領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景。

傳統(tǒng)金剛石為立方晶系結(jié)構(gòu)。64年前，研究者從理論上預(yù)測(cè)了六方晶系金剛石的存在。1967年，科學(xué)家在隕石中發(fā)現(xiàn)了這種六方結(jié)構(gòu)的碳同素異形體，即六方金剛石，又稱(chēng)“朗斯代爾石”或“隕石鉆石”。其獨(dú)特的原子堆垛方式使其硬度理論上超越立方金剛石，引發(fā)了學(xué)界的廣泛關(guān)注。

“金剛石是自然界最硬的物質(zhì)，通常大家熟知的是立方金剛石，而我們?nèi)缃窈铣沙龅牧浇饎偸捕雀?。”論文第一作者、鄭州大學(xué)物理學(xué)院教授楊西貴介紹，碳原子共有三種雜化軌道類(lèi)型，其中sp3家族目前僅有立方金剛石被廣泛應(yīng)用。團(tuán)隊(duì)猜測(cè)，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。

自2021年起，鄭州大學(xué)金剛石材料與器件團(tuán)隊(duì)便開(kāi)啟了六方金剛石的合成研究。2025年，就在團(tuán)隊(duì)即將宣告成功、論文在《自然》審稿返修之際，吉林大學(xué)和北京高壓科學(xué)研究中心的科研團(tuán)隊(duì)也先后獨(dú)立合成出六方金剛石并發(fā)表論文?！跋喈?dāng)于近幾年來(lái)，三個(gè)獨(dú)立研究組在求解同一個(gè)問(wèn)題，但在發(fā)表前我們互相并不知情。”楊西貴說(shuō)。

開(kāi)發(fā)新技術(shù)，迫使六方金剛石“現(xiàn)身”

從研究啟動(dòng)到最終發(fā)表，整整歷時(shí)5年。天然六方金剛石形成于隕石撞擊產(chǎn)生的極端條件，過(guò)程短暫且概率極低，僅以納米級(jí)顆粒嵌在隕石中，極難分離。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，六方金剛石是否能獨(dú)立穩(wěn)定存在，長(zhǎng)期以來(lái)爭(zhēng)議不斷。

研究團(tuán)隊(duì)要做的，一是利用外界條件“逼迫”六方金剛石現(xiàn)身，二是找到其獨(dú)有特征以精準(zhǔn)區(qū)分二者。團(tuán)隊(duì)決定從技術(shù)路線(xiàn)突破，以高定向熱解石墨為原料，精準(zhǔn)控制壓力與溫度，開(kāi)發(fā)出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。

“這相當(dāng)于在原子尺度上‘捏橡皮泥’，壓力相當(dāng)于20萬(wàn)個(gè)標(biāo)準(zhǔn)大氣壓，還要在1300攝氏度高溫下進(jìn)行?！睏钗髻F解釋?zhuān)谶@一技術(shù)加持下，高定向熱解石墨中的碳原子實(shí)現(xiàn)受限滑移，最終構(gòu)成了六方金剛石獨(dú)特的堆疊結(jié)構(gòu)。

合成單晶，做大尺寸

由于六方金剛石與立方金剛石的原子結(jié)構(gòu)高度相似，確認(rèn)其身份成為關(guān)鍵。本文共同通訊作者之一、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(xiàn)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(jí)分辨圖像。這相當(dāng)于找到了它的獨(dú)特“指紋”，無(wú)疑地確認(rèn)了它的身份。

六方金剛石獨(dú)特的六方晶體對(duì)稱(chēng)性，使其能更有效地抵御剪切破壞。理論預(yù)測(cè)顯示，其硬度比立方金剛石高58%。后續(xù)性能測(cè)試表明，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)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(cè)和隕石傳說(shuō)，成為人類(lèi)可制備和研究的實(shí)體。審稿人評(píng)價(jià)該研究“極具說(shuō)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的長(zhǎng)期爭(zhēng)議”。

“未來(lái)，我們一方面希望優(yōu)化合成技術(shù)制備出單晶，另一方面希望將樣品尺寸做大，推動(dòng)其在多個(gè)領(lǐng)域的實(shí)際應(yīng)用。”本文共同通訊作者之一、鄭州大學(xué)物理學(xué)院教授單崇新說(shuō)。

相關(guān)論文信息：https://www.nature.com/articles/s41586-026-10212-4

合成的六方金剛石的晶體結(jié)構(gòu)、X射線(xiàn)衍射和原子級(jí)分辨圖像 采訪(fǎng)對(duì)象供圖