中國粉體網訊 2月10日，吉林大學劉冰冰教授、姚明光教授團隊聯(lián)合中山大學朱升財教授等發(fā)現(xiàn)了高溫高壓下石墨經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。
隕石中的超級鉆石“六方金剛石”
金剛石不僅是人們喜愛的寶石，更是集極高硬度、極耐磨、極高熱導率、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“國家戰(zhàn)略物資”，立方金剛石已經在精密加工、資源開采、信息通訊以及“深空、深地、深海”極端環(huán)境等國家重大需求領域發(fā)揮了重要作用。
六方金剛石首次被發(fā)現(xiàn)是在美國亞利桑那州的魔谷隕石中（1967年），這種罕見而珍貴的鉆石也因此被稱為“隕石鉆石”，普遍認為是石墨在隕石撞擊地球形成的高溫高壓條件下轉變而成的，理論預測它比立方金剛石還堅硬。但由于隕石快速沖擊時間短，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，六方鉆石能否獨立存在一直存在爭議，實現(xiàn)純相的人工合成極具挑戰(zhàn)。最大的難點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，雖然經過半個多世紀的努力，純相六方金剛石的人工合成一直未能實現(xiàn)。
吉林大學：六方金剛石合成的新途徑
激光加溫金剛石對頂砧技術
吉林大學研究團隊在前期研究剪切力對石墨高壓下結構變化影響中，提出了一種石墨到立方金剛石轉變的新機制，發(fā)現(xiàn)sp3碳高壓相結構的形成是重要因素。
考慮到隕石鉆石形成中，不僅有超高壓還有高溫條件，為此，團隊巧妙設計了高溫高壓實驗，首先利用激光加溫金剛石對頂砧技術原位研究了石墨在50GPa超高壓高溫下的結構變化規(guī)律，發(fā)現(xiàn)石墨在高壓力區(qū)間會形成“后石墨相”高壓結構，再通過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照片與透射電鏡照片
六方金剛石（HD）的生長機理
研究人員通過原位高壓XRD和拉曼測量，揭示了石墨在高溫超高壓下優(yōu)先轉變?yōu)镠D的原因。實驗發(fā)現(xiàn)，在26GPa以上，石墨轉變?yōu)楹笫�，這是其向HD轉變的中間步驟。在高壓下，石墨層間壓力誘導的鍵合限制了層間滑動，從而抑制了立方金剛石（CD）的生長，而有利于HD的形成。通過對比納米石墨（NG）實驗，進一步證實了這一機制。此外，利用分子動力學模擬，研究了后石墨相向HD的轉變過程，發(fā)現(xiàn)高壓和溫度梯度顯著促進HD的生長，而均勻加熱則難以獲得高比例的HD。這些結果為理解石墨到HD的轉變機制提供了重要見解。
石墨經由后石墨相向六方金剛石結構轉變的動力學模擬及其與實驗電鏡對比照片
硬度高達155GPa，超過天然金剛石
針對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率不同的高硬度材料，高壓下產生溫度梯度，模擬金剛石對頂砧原位實驗中的高溫高壓條件，在30GPa、1400℃的條件下，成功制備出毫米級高取向六方金剛石塊材。實驗結果表明，六方金剛石具有出色的物理性質，硬度高達155±9GPa，超過天然金剛石的40%以上，真空環(huán)境下其熱穩(wěn)定性可以達到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以及維氏硬度測試
金剛石材料的未來藍圖
吉林大學研究團隊通過深入研究六方金剛石（HD）的合成機制，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變機制提供了新的視角，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)領域（超硬切削工具、極端環(huán)境器件以及量子技術載體等）的應用提供了廣闊前景。
參考來源：
吉林大學，Nature Materials
論文鏈接：https://www.nature.com/articles/s41563-025-02126-9
（中國粉體網編輯整理/輕言）
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