比鉆石還硬！中國(guó)科學(xué)家合成六方金剛石

普通鉆石（立方金剛石），例如訂婚戒指上的鉆石，具有立方晶體結(jié)構(gòu)。朗斯代爾石，也稱(chēng)為六方金剛石，它與我們常見(jiàn)的普通鉆石結(jié)構(gòu)相似，但原子排列呈六方堆積。

1967 年，美國(guó)地質(zhì)學(xué)家在美國(guó)亞利桑那州巴林杰隕石坑的“魔谷隕石”碎片中首次鑒別出這種礦物，并猜測(cè)是由于隕石撞擊瞬間產(chǎn)生的極端高溫和高壓，把隕石里的石墨直接“壓”成了這種特殊的結(jié)構(gòu)。他們以 20 世紀(jì)的愛(ài)爾蘭晶體學(xué)家和英國(guó)皇家學(xué)會(huì)凱瑟琳·朗斯代爾（Kathleen Lonsdale）命名這種礦物，因她使用 X 射線(xiàn)研究了碳的結(jié)構(gòu)。

但在隨后的幾十年里，六方金剛石成了材料界的“幽靈”，它既讓無(wú)數(shù)物理學(xué)家為之神往，也因難以捕捉的真身而飽受質(zhì)疑。

許多科學(xué)家認(rèn)為，所謂的六方金剛石根本不是一種獨(dú)立的新材料，只是“長(zhǎng)壞了的普通鉆石”。他們認(rèn)為那些所謂的六方結(jié)構(gòu)特征，其實(shí)是普通鉆石晶格里出現(xiàn)了大量孿晶和層錯(cuò)等缺陷導(dǎo)致的。

另外，雖然很多實(shí)驗(yàn)室聲稱(chēng)合成了六方金剛石，但做出來(lái)的東西總是和普通立方金剛石混在一起，且尺寸極其微小（納米級(jí)），這讓?xiě)岩烧撜吒哟_信：這不過(guò)是帶有結(jié)構(gòu)缺陷的碎鉆而已。

近年來(lái)，隨著實(shí)驗(yàn)技術(shù)的發(fā)展，六方金剛石的塊體合成逐漸取得進(jìn)展。2025 年初，吉林大學(xué)劉冰冰教授團(tuán)隊(duì)在 Nature Materials 報(bào)道了六方金剛石塊材的實(shí)驗(yàn)制備；同年，北京高壓科學(xué)研究中心毛河光院士團(tuán)隊(duì)在 Nature 發(fā)表了研究成果，他們利用高純度天然單晶石墨，在高溫高壓條件下也成功獲得了六方金剛石樣品。

近日，來(lái)自鄭州大學(xué)的單崇新、程少博、楊西貴等人聯(lián)合南京大學(xué)孫建在 Nature 上發(fā)表了研究成果，他們成功合成了毫米級(jí)、純相的六方金剛石。

（來(lái)源：受訪(fǎng)者提供）

“我們不僅做出了樣品，還深入揭示了背后的調(diào)控機(jī)制：合成六方還是立方，關(guān)鍵在于如何通過(guò)單軸壓力精確限制石墨層的滑移?！边@項(xiàng)研究的共同通訊作者、鄭州大學(xué)物理學(xué)教授楊西貴告訴 DeepTech。

抑制橫向滑移，才能長(zhǎng)出純六方金剛石

六方金剛石與立方金剛石雖然均由碳元素組成，但在原子層面的堆疊結(jié)構(gòu)上存在本質(zhì)區(qū)別。立方金剛石采用的是 ABCABC... 三層重復(fù)的堆疊方式，形成正四面體結(jié)構(gòu)；六方金剛石則是 ABAB... 兩層重復(fù)的堆疊方式。

（來(lái)源：Nature）

相對(duì)于穩(wěn)定的立方金剛石，六方金剛石是一種亞穩(wěn)相材料，其能量狀態(tài)稍高一些?！疤荚右矔?huì)像‘水往低處流’一樣，傾向于排列成能量最低的立方結(jié)構(gòu)。”楊西貴表示。隕石撞擊之所以能保留六方結(jié)構(gòu)，是因?yàn)闃O短的瞬態(tài)過(guò)程將其“凍結(jié)”了。

在嘗試合成六方金剛石的過(guò)程中，商業(yè)化高溫高壓設(shè)備所提供的靜水壓（即各個(gè)方向壓力均等）卻成了最大的障礙。

實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，在靜水壓條件下，作為原料的石墨層會(huì)過(guò)早地發(fā)生橫向折皺或滑移。一旦出現(xiàn)這種情況，無(wú)論后續(xù)如何精細(xì)地調(diào)控壓力和溫度參數(shù)，最終得到的產(chǎn)物幾乎都是立方金剛石。即使偶爾有六方結(jié)構(gòu)的跡象，也往往是作為少量混合相存在?！斑@又回到了之前提到的爭(zhēng)議，很容易被認(rèn)為是立方金剛石的缺陷，從而無(wú)法確證。”

為了解決這個(gè)問(wèn)題，研究人員對(duì)設(shè)備的合成腔體內(nèi)部進(jìn)行了關(guān)鍵性的改裝，使其能夠在施加壓力的過(guò)程中，將沿著石墨 c 軸方向的壓力進(jìn)行放大，同時(shí)相對(duì)削弱橫向的壓力。

這樣一來(lái)，石墨層的橫向滑移就被有效地抑制了。在這種定向增強(qiáng)的單軸壓力引導(dǎo)下，碳原子只能沿著上下方向進(jìn)行有序結(jié)合，按照 ABAB... 的方式堆疊起來(lái)，最終形成六方金剛石結(jié)構(gòu)。而一旦橫向滑移無(wú)法控制，原子就會(huì)按照 ABCABC... 的方式堆疊，那就又回到了立方金剛石。

“所以，合成六方金剛石是一個(gè)需要超高壓、準(zhǔn)單軸和溫度三者之間達(dá)到極其苛刻的協(xié)同條件的過(guò)程?！?/p>

最終，研究團(tuán)隊(duì)以高定向熱解石墨為原料，在高溫高壓裝置中，通過(guò)沿石墨 c 軸施加定向單軸應(yīng)力，精準(zhǔn)鎖定 20GPa、1300-1900℃ 的窄溫壓合成窗口，成功制備出直徑約 1.5 毫米的塊體六方金剛石。

精準(zhǔn)驗(yàn)證六方金剛石真身

為了確證做出來(lái)的樣品是純相或者不是帶有缺陷的普通鉆石，研究團(tuán)隊(duì)構(gòu)建了一個(gè)嚴(yán)密的證據(jù)閉環(huán)。

第一步，從宏觀上定“身份”。利用同步輻射 X 射線(xiàn)衍射（XRD）極高的分辨率，在立方與六方金剛石重合的特征峰外，精確捕捉到四個(gè)關(guān)鍵的額外衍射峰。這些峰與理論模擬的六方結(jié)構(gòu)完全吻合，從宏觀尺度初步鎖定了其六方身份。

（來(lái)源：上述論文）

第二步，從微觀上看“指紋”。通過(guò)球差校正透射電鏡（AC-TEM）在原子尺度進(jìn)行實(shí)時(shí)觀測(cè)：在特定軸向清晰呈現(xiàn)六方結(jié)構(gòu)特有的“ABAB”層序堆疊（而非立方的 ABCABC），并捕獲到立方結(jié)構(gòu)不具備的完美六角空心對(duì)稱(chēng)圖案。這一原子級(jí)圖像為六方晶格提供了最直接的微觀證據(jù)。

第三步，確認(rèn)成分與純度。利用電子能量損失譜（EELS）分析碳原子成鍵狀態(tài)。結(jié)果顯示，所有碳原子的成鍵方式都是金剛石特征的 sp3 雜化鍵，未探測(cè)到任何石墨化或無(wú)定形碳的 sp2 信號(hào)，從化學(xué)鍵層面證實(shí)了材料的高純度與一致性。

第四步，檢驗(yàn)“性能”。通過(guò)硬度及模量測(cè)試，證實(shí)該材料的維氏硬度、剪切模量及楊氏模量均顯著優(yōu)于天然立方金剛石。卓越的力學(xué)指標(biāo)不僅完成了從結(jié)構(gòu)到性能的證據(jù)鏈閉環(huán)，更凸顯了其作為超硬材料的實(shí)用價(jià)值。

圖 | 塊狀六方金剛石的機(jī)械和熱性能（來(lái)源：上述論文）

“最終，我們準(zhǔn)確無(wú)誤地得出結(jié)論，我們合成的，就是純度極高、結(jié)構(gòu)清晰的六方金剛石。這也正是審稿人給予我們高度評(píng)價(jià)的原因，他們認(rèn)為我們‘首次提供了如此清晰的六方金剛石證據(jù)’。”楊西貴說(shuō)道。

這份清晰證據(jù)的背后，是歷時(shí)五年的漫長(zhǎng)攻關(guān)。楊西貴回憶，過(guò)程可分為三個(gè)階段：首先是前期技術(shù)攻關(guān)，將單軸壓力設(shè)計(jì)引入商用設(shè)備；接著是漫長(zhǎng)的工藝摸索，為了追求足以消除爭(zhēng)議的絕對(duì)純度，團(tuán)隊(duì)在溫壓參數(shù)的微調(diào)中耗費(fèi)了大量精力；最后是嚴(yán)苛的審稿環(huán)節(jié)，從 2024 年 11 月投稿到 2026 年 3 月刊出，中間光是補(bǔ)證與修改就經(jīng)歷了一年半?！斑@是一個(gè)需要極大耐心和毅力的過(guò)程?！彼锌?。

從“更硬的刀”到“更好的芯”

測(cè)試表明，六方金剛石比傳統(tǒng)鉆石更堅(jiān)硬，更耐氧化。但令人驚訝的是，它的硬度僅比普通鉆石略高，而非早期理論預(yù)測(cè)的 近 60%。

“在真實(shí)的實(shí)驗(yàn)世界里，情況要復(fù)雜得多。沒(méi)有一塊實(shí)際合成的晶體是絕對(duì)完美的。在我們合成的塊體材料中，不可避免地會(huì)存在一些微觀層面的晶界、位錯(cuò)、點(diǎn)缺陷或者微小的內(nèi)應(yīng)力。這些因素都會(huì)在一定程度上影響材料宏觀力學(xué)性能的表現(xiàn)。”楊西貴說(shuō)道。

隨著合成技術(shù)的精進(jìn)，未來(lái)若能制備出更接近“理想單晶”的樣品，其硬度有望進(jìn)一步逼近理論極限。甚至，理論模型本身也在隨認(rèn)知而演進(jìn)?！斑@是一個(gè)開(kāi)放性的課題，”他表示，“當(dāng)材料的純度與尺寸不斷突破，六方金剛石真正的物理上限才會(huì)被最終揭開(kāi)?！?/p>

談及下一步計(jì)劃，楊西貴將其概括為“做大”與“做單”兩方面，這不僅是尺寸的突破，更是應(yīng)用維度的跨越。

首先是近期（5 年內(nèi)）的“做大”計(jì)劃，旨在將樣品由毫米級(jí)推向厘米級(jí)，利用其超越普通鉆石的硬度與熱穩(wěn)定性，將其應(yīng)用于切削刀具、磨具等工業(yè)領(lǐng)域。并在真實(shí)的工業(yè)應(yīng)用場(chǎng)景下，去和現(xiàn)有的立方金剛石工具進(jìn)行嚴(yán)格的對(duì)比測(cè)試，看看其壽命優(yōu)勢(shì)到底有多大。

其次是中長(zhǎng)期（10 年內(nèi)）的“做單”愿景，通過(guò)攻克大尺寸單晶生長(zhǎng)技術(shù)，合成出六方金剛石透明單晶，從而解鎖其在半導(dǎo)體領(lǐng)域和珠寶領(lǐng)域的潛力。屆時(shí)，它不僅能憑借優(yōu)異的熱導(dǎo)率成為 AI 算力芯片的理想散熱底座，還有望在量子傳感與大功率電子器件領(lǐng)域，憑借獨(dú)特的電子學(xué)特性占據(jù)一席之地。

“這需要科學(xué)界與產(chǎn)業(yè)界的通力合作，”楊西貴展望道，“也許十年后，當(dāng)你走進(jìn)珠寶店或選購(gòu)高功率電子器件時(shí)，六方金剛石將成為一個(gè)性能更優(yōu)的常規(guī)選項(xiàng)?！?/p>

1.Lai, S., Yang, X., Shi, J. et al. Bulk hexagonal diamond. Nature (2026). https://doi.org/10.1038/s41586-026-10212-4

2.Yang, L., Lau, K.C., Zeng, Z. et al. Synthesis of bulk hexagonal diamond. Nature 644, 370–375 (2025). https://doi.org/10.1038/s41586-025-09343-x

3.Chen, D., Chen, G., Lv, L. et al. General approach for synthesizing hexagonal diamond by heating post-graphite phases. Nat. Mater. 24, 513–518 (2025). https://doi.org/10.1038/s41563-025-02126-9

4.https://www.nature.com/articles/d41586-026-00711-9

運(yùn)營(yíng)/排版：何晨龍