我国科研团队成功合成毫米级纯相六方金刚石，硬度超越传统金刚石

据郑州大学物理学院，近日，该院金刚石材料与器件团队成功合成出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。相关研究成果以“Bulk hexagonal diamond”为题，于北京时间 2026 年 3 月 5 日在线发表在国际学术期刊《自然》（Nature）上。

据介绍，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、巨大的禁带宽度、良好的生物兼容性等特点，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，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，但 1962 年，研究者从理论上预测了六方晶系金刚石可能存在。随后，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 — 六方金刚石，也称为“朗斯代尔石”或“陨石钻石”。理论进一步预言，这种独特的原子堆垛方式赋予其超越立方金刚石的硬度，因而引起了科研人员的广泛关注。

然而，天然六方金刚石仅以纳米级颗粒嵌在陨石中，极难分离；其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。更为关键的是，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，而其本征物性也由于样品尺寸过小，难以通过实验精确测量。

这一研究困境直至 2025 年才取得重要突破：2 月，吉林大学刘冰冰教授团队率先报道了六方金刚石块材的合成；同年 7 月，北京高压科学研究中心毛河光院士团队利用高纯度天然单晶石墨也成功制备出六方金刚石。然而，目前对于六方金刚石的形成机制及其在原子尺度上的精细晶体结构，仍缺乏清晰的认识。

针对上述问题，郑州大学金刚石材料与器件团队科研人员历时五年潜心研究，从设备研制入手，开发出大腔体单轴高压技术，并利用该技术合成出导电金刚石材料 (Proc. Natl. Acad. Sci. USA, 2024, 121, e2316580121)。

▲ 合成的六方金刚石的晶体结构、X 射线衍射以及原子级分辨图像

在此基础上，以高定向热解石墨为前驱体，提出石墨层受限滑移的思路，在 20 GPa，1300℃ 条件下成功制备出毫米尺寸纯相六方金刚石。通过同步辐射 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表征手段，系统解析了其晶体结构与成键特征，获得了清晰的原子级分辨图像，证实了其为六方晶系金刚石。并与南京大学孙建教授合作，结合机器学习分子动力学模拟，揭示了六方金刚石的全新相变路径。

基于所获得的六方金刚石材料，采用超声波声速、纳米压痕和维氏硬度等方法系统表征了其力学性能，结果表明其维氏硬度和剪切模量均优于传统的立方金刚石。

上述结果被审稿人评价为“truly convincing”,“provide a more complete picture”,“resolve a long-standing controversy on the existence of hexagonal diamond”等。这些来自不同独立研究组的相互印证，进一步证实了六方金刚石人工合成的可行性，不仅为实现长久以来人们合成六方金刚石的夙愿提供了明确方案和关键证据，也为六方相金刚石的规模化制备及其未来应用开辟了路径。

该工作得到了国家自然科学基金、河南省自然科学基金以及郑州大学高层次人才经费等项目资助。