超硬材料新时代
中国研究人员取得了一项全球科学家追寻了六十多年的成果：制成块体纯六方金刚石。这项突破发表于《自然》杂志，标志着科学家首次合成出毫米级的这种稀有碳同素异形体样品。理论上，这种材料比传统立方金刚石更坚硬，而立方金刚石世代以来一直位居莫氏硬度标度顶端。
这支研究团队由郑州大学、吉林大学和高压科学与技术先进研究中心的物理学家组成，他们实际上终结了一场长期存在的科学争论：六方金刚石是否作为一种独立材料存在。研究证实，1967年首次在亚利桑那州一块陨石中发现的蓝丝黛尔石，并非只是有缺陷的立方金刚石，而是具有独特性质的一种真实碳相，有望革新工业制造、航空航天工程和量子传感技术。
天然钻石是在地球地幔深处形成的，碳原子呈立方排列；与之不同，六方金刚石中的碳原子以类似蜂窝的晶格结构排列。这种构型使层间键更短、更强，因此与用于切削工具、钻探设备和高性能电子产品的传统钻石相比，它可能具有更高的硬度和热稳定性。
这项合成成果不只是实验室里的新奇发现。几十年来，由于无法制备足量纯六方金刚石用于测试，它的理论性质始终停留在理论层面。此前的尝试只能制得寿命仅有数纳秒的纳米级晶体，或得到混有石墨和立方金刚石的样品，因此无法对其进行确切表征。中国团队制得的晶体直径从100微米到1.8毫米不等，为全面测试这种难以捉摸的材料的力学性能创造了首次机会。
六十年的科学争议
六方金刚石的故事始于1962年。当时，匹兹堡煤炭研究中心的研究人员首次提出，碳原子可能以六方晶格而非熟悉的立方结构排列。这种理论上的变体因其独特的键合构型，有望具有更高硬度，但要证实它的存在，还需等待五年，并借助一次来自地外的“递送”。
1967年，地质学家在研究亚利桑那州巴林杰陨石坑出土的卡尼恩迪亚布洛陨石碎片时，宣布发现了一种新矿物。为了纪念开创性晶体学家凯瑟琳·朗斯代尔女爵士，这种六方金刚石被命名为蓝丝黛尔石。据信，它是在约5万年前陨石撞击地球时产生的极端高温高压下形成的。后来，印度阿萨姆邦的戈阿尔帕拉陨石中也发现了类似痕迹。
然而，庆祝来得太早。质疑者认为，这些样品根本不是真正的六方金刚石，而是带有堆垛层错或杂乱缺陷、仅呈现出类似六方对称性的立方金刚石。2021年，研究人员发表研究称，此前所有被鉴定为蓝丝黛尔石的样品，实际上都是误认的立方金刚石变体。由于从未有实验室制得足量纯六方金刚石来为争论盖棺定论，这种怀疑始终存在。
实现突破的工程方法
中国团队的成功，关键在于开发出一种新型高压高温技术，解决了六方金刚石在热力学上的不稳定性。虽然在最高达2太帕的压力范围内，立方金刚石仍是sp3键合碳最稳定的形式，但研究人员意识到，必须通过精细调控前驱体形貌和合成条件，以动力学方式控制六方金刚石的形成。
研究人员以高度取向热解石墨为原料。这是一种碳材料，其原子层排列整齐。他们设计了一种独特装置，将采用高强度致密氧化铝的活塞圆筒压机集成到多面顶压机中。这种构型使他们能够主要沿z轴方向压缩石墨，即垂直于碳片的方向，而非从侧面施压。
样品在20吉帕压力下压缩10小时，这一压力约为海平面地球大气压的20万倍。温度范围为华氏2,300至3,450度（摄氏1,300至1,900度）。科学家利用原位X射线衍射进行实时监测，观察微观转变过程，证实发生了马氏体相变：六方石墨通过层间滑移以及石墨片之间的直接键合，转变为六方金刚石。
卓越性能的测量
有了毫米级样品，研究团队终于能够开展确切的力学测试。他们使用维氏硬度测试和其他探针，测量材料抵抗划伤和形变的能力。结果显示，六方金刚石的硬度为114至165吉帕，而天然立方金刚石约为110吉帕。硬度显著提高，但略低于早期预测中最初理论推测的50%增幅。
除硬度外，这种材料还表现出显著的热稳定性，在高达摄氏1,100度的温度下仍能抵抗氧化。这一特性克服了立方金刚石的一项关键局限：在工业钻探或切削作业中，高温下接触氧气可能使其表面产生缺陷。六方结构的刚性和抗氧化性表明，它可用于传统钻石无法胜任的极端环境。
高分辨率透射电子显微镜结构表征证实，六方金刚石具有起伏蜂窝层的AB堆垛结构。光谱分析表明，所有键均为sp3 σ键，不存在可说明有残留石墨污染的sp2 π键。值得注意的是，层间一根键的长度比另外三根更短，这解释了其结构强度为何高于立方金刚石。
工业与科学应用
块体六方金刚石的制成，为一些以往受限于立方金刚石性能上限的应用开辟了道路。该研究共同领衔作者、郑州大学物理学家单崇新列举了几个颇具前景的领域。
它在许多领域都有潜在应用，例如切削工具、热管理材料和量子传感。
单崇新对《自然》杂志说。
航空航天和国防领域尤其有望从中受益。六方金刚石硬度更高、热稳定性更强，适合对精度和耐久性要求极高的加工与钻探应用。天然钻石受采矿限制和伦理问题制约，而实验室培育的六方金刚石有望成为一种性能更优的可持续替代材料。
在地质学方面，这项合成研究为理解陨石撞击过程提供了重要线索。了解六方金刚石如何在极端压力和温度下形成，有助于科学家识别撞击事件，并重建太阳系行星形成的历史。如今，卡尼恩迪亚布洛等陨石中发现蓝丝黛尔石也就说得通了：它是在特定冲击变质条件下形成的产物，而中国团队已成功复现了这些条件。
获得国际科学界验证
这项研究引起了国际科学界的广泛关注。内华达大学拉斯维加斯分校的晶体学家奥利弗·茨绍纳曾受《自然》杂志邀请对该研究进行同行评审，他充分肯定了研究结果。
有数百人声称自己发现了它，但这是首次对这种难以捉摸的材料进行非常准确的表征。
茨绍纳表示。
东京大学无机化学家中村荣一曾研究过碳同素异形体，他强调了这项研究在方法上的重要意义。
这种新的两步法首次确凿证明，六方金刚石是一种独立且可回收的块体材料。
中村说。
高压科学专家、中国科学院外籍院士毛河光指出了这项研究对材料科学的更广泛意义。
这种合成六方金刚石有望为超硬材料和高端电子器件的发展开辟新路径。
毛河光对《南华早报》说。
尽管研究令人振奋，但研究人员承认，商业化之前仍有挑战。合成所需的专用高压设备限制了当前产能，因此早期应用可能会集中在高价值利基市场，例如精密科学仪器和专用工业切削工具，而非大众珠宝市场。
要点
- 中国科学家首次合成出毫米级纯六方金刚石（蓝丝黛尔石），终结了有关其是否为独立材料的长达60年科学争议。
- 这种材料的硬度为114至165吉帕，高于天然立方金刚石约110吉帕的硬度；其热稳定性也更出色，可耐受高达摄氏1,100度的温度。
- 研究人员将高度取向热解石墨置于20吉帕（大气压的20万倍）压力和摄氏1,300至1,900度的高温下压缩10小时，实现了这一转变。
- 潜在应用包括先进切削工具、电子设备热管理系统、量子传感器件，以及要求极高耐久性的航空航天部件。
- 这项突破解除了长期以来的疑虑，证实六方金刚石是一种独立的碳相，而非仅仅是有缺陷的立方金刚石结构。
