中國(guó)粉體網(wǎng)訊 2月10日，吉林大學(xué)劉冰冰教授、姚明光教授團(tuán)隊(duì)聯(lián)合中山大學(xué)朱升財(cái)教授等發(fā)現(xiàn)了高溫高壓下石墨經(jīng)由后石墨相形成六方金剛石的全新路徑，并“首次”合成出高質(zhì)量六方金剛石塊材，其具有高出立方金剛石的極高硬度和良好的熱穩(wěn)定性。研究成果以“General Approach for Synthesizing Hexagonal Diamond by Heating Post-Graphite Phases”為題發(fā)表在Nature Materials上。
隕石中的超級(jí)鉆石“六方金剛石”
金剛石不僅是人們喜愛(ài)的寶石，更是集極高硬度、極耐磨、極高熱導(dǎo)率、極寬禁帶等優(yōu)異性能于一體的重要前沿戰(zhàn)略材料，被稱為“最鋒利的工業(yè)牙齒”和“國(guó)家戰(zhàn)略物資”，立方金剛石已經(jīng)在精密加工、資源開(kāi)采、信息通訊以及“深空、深地、深�！睒O端環(huán)境等國(guó)家重大需求領(lǐng)域發(fā)揮了重要作用。
六方金剛石首次被發(fā)現(xiàn)是在美國(guó)亞利桑那州的魔谷隕石中（1967年），這種罕見(jiàn)而珍貴的鉆石也因此被稱為“隕石鉆石”，普遍認(rèn)為是石墨在隕石撞擊地球形成的高溫高壓條件下轉(zhuǎn)變而成的，理論預(yù)測(cè)它比立方金剛石還堅(jiān)硬。但由于隕石快速?zèng)_擊時(shí)間短，六方鉆石形成的條件極為苛刻，只有納米大小，且與隕石共生，因此，六方鉆石能否獨(dú)立存在一直存在爭(zhēng)議，實(shí)現(xiàn)純相的人工合成極具挑戰(zhàn)。最大的難點(diǎn)是高溫高壓下六方金剛石的形成能壘高于立方金剛石，高溫高壓產(chǎn)物往往以立方金剛石為主，難以形成六方金剛石，因此，雖然經(jīng)過(guò)半個(gè)多世紀(jì)的努力，純相六方金剛石的人工合成一直未能實(shí)現(xiàn)。
吉林大學(xué)：六方金剛石合成的新途徑
激光加溫金剛石對(duì)頂砧技術(shù)
吉林大學(xué)研究團(tuán)隊(duì)在前期研究剪切力對(duì)石墨高壓下結(jié)構(gòu)變化影響中，提出了一種石墨到立方金剛石轉(zhuǎn)變的新機(jī)制，發(fā)現(xiàn)sp3碳高壓相結(jié)構(gòu)的形成是重要因素。
考慮到隕石鉆石形成中，不僅有超高壓還有高溫條件，為此，團(tuán)隊(duì)巧妙設(shè)計(jì)了高溫高壓實(shí)驗(yàn)，首先利用激光加溫金剛石對(duì)頂砧技術(shù)原位研究了石墨在50GPa超高壓高溫下的結(jié)構(gòu)變化規(guī)律，發(fā)現(xiàn)石墨在高壓力區(qū)間會(huì)形成“后石墨相”高壓結(jié)構(gòu)，再通過(guò)局部加熱成功獲得了六方金剛石（HD）。
超高壓高溫下獲得的純相六方金剛石光學(xué)照片與透射電鏡照片
六方金剛石（HD）的生長(zhǎng)機(jī)理
研究人員通過(guò)原位高壓XRD和拉曼測(cè)量，揭示了石墨在高溫超高壓下優(yōu)先轉(zhuǎn)變?yōu)镠D的原因。實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，在26GPa以上，石墨轉(zhuǎn)變?yōu)楹笫�，這是其向HD轉(zhuǎn)變的中間步驟。在高壓下，石墨層間壓力誘導(dǎo)的鍵合限制了層間滑動(dòng)，從而抑制了立方金剛石（CD）的生長(zhǎng)，而有利于HD的形成。通過(guò)對(duì)比納米石墨（NG）實(shí)驗(yàn)，進(jìn)一步證實(shí)了這一機(jī)制。此外，利用分子動(dòng)力學(xué)模擬，研究了后石墨相向HD的轉(zhuǎn)變過(guò)程，發(fā)現(xiàn)高壓和溫度梯度顯著促進(jìn)HD的生長(zhǎng)，而均勻加熱則難以獲得高比例的HD。這些結(jié)果為理解石墨到HD的轉(zhuǎn)變機(jī)制提供了重要見(jiàn)解。
石墨經(jīng)由后石墨相向六方金剛石結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變的動(dòng)力學(xué)模擬及其與實(shí)驗(yàn)電鏡對(duì)比照片
硬度高達(dá)155GPa，超過(guò)天然金剛石
針對(duì)六方金剛石塊體的高壓合成，在超高壓組裝體中巧妙地引入熱導(dǎo)率不同的高硬度材料，高壓下產(chǎn)生溫度梯度，模擬金剛石對(duì)頂砧原位實(shí)驗(yàn)中的高溫高壓條件，在30GPa、1400℃的條件下，成功制備出毫米級(jí)高取向六方金剛石塊材。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，六方金剛石具有出色的物理性質(zhì)，硬度高達(dá)155±9GPa，超過(guò)天然金剛石的40%以上，真空環(huán)境下其熱穩(wěn)定性可以達(dá)到1100℃，優(yōu)于納米金剛石的900℃。
高取向六方金剛石塊材的透射電鏡照片、XRD以及維氏硬度測(cè)試
金剛石材料的未來(lái)藍(lán)圖
吉林大學(xué)研究團(tuán)隊(duì)通過(guò)深入研究六方金剛石（HD）的合成機(jī)制，提出了一種高效的合成方法，成功克服了傳統(tǒng)方法中HD難以高純度合成的難題。
該成果不僅為理解石墨到鉆石的轉(zhuǎn)變機(jī)制提供了新的視角，也為超硬材料和新型碳材料添加了性能更為優(yōu)異的新成員，為突破立方金剛石的應(yīng)用局限提供了可能。更重要的是，HD的優(yōu)異性能為其在工業(yè)領(lǐng)域（超硬切削工具、極端環(huán)境器件以及量子技術(shù)載體等）的應(yīng)用提供了廣闊前景。
參考來(lái)源：
吉林大學(xué)，Nature Materials
論文鏈接：https://www.nature.com/articles/s41563-025-02126-9
（中國(guó)粉體網(wǎng)編輯整理/輕言）
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