您知道“隕石鉆石”嗎？鉆石，即金剛石，可由碳原子在地殼深處經受巨大壓力而天然形成，硬度極高，通常具有立方結構，因實現了人工合成而在眾多領域得到了廣泛應用，是最鋒利的“工業牙齒”和國家戰略物資。半個世紀前，另外一種共生于隕石中的“超級鉆石”被發現，這種珍稀的、具有六方晶體結構的“隕石鉆石”因其更為堅硬而備受關注，然而，人工合成純相六方金剛石卻是長期未能攻破的科學難題。
2月10日，吉林大學高壓與超硬材料全國重點實驗室、綜合極端條件高壓科學中心劉冰冰教授、姚明光教授團隊聯合中山大學朱升財教授等取得了重大突破，在Nature Materials上發表題為“General Approach for Synthesizing Hexagonal Diamond by Heating Post-Graphite Phases”的最新研究論文，發現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，發現其具有高出立方金剛石的極高硬度和良好的熱穩定性。該成果不僅提供了一種純相六方金剛石人工合成的有效途徑，給出了其獨立存在的有力證據，也為超硬材料和新型碳材料添加了性能更為優異的新成員，為突破立方金剛石的應用局限提供了可能。該成果對深入了解隕石中鉆石的具體來源和重大地質事件也有著重要意義。
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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、極寬禁帶等優異性能于一體的重要前沿戰略材料，被稱為“最鋒利的工業牙齒”和“國家戰略物資”，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”極端環境等國家重大需求領域發揮了重要作用。六方金剛石首次被發現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，實現純相的人工合成極具挑戰。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。
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高溫高壓人工合成六方金剛石的新途徑
圖1. 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
圖2. 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
研究團隊長期從事超高壓下碳及相關材料的實驗研究，發現了多種常壓下難以得到的新結構和新性質（Nature 2021, 599, 599; Science 2012, 337, 825）。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，發現sp3碳高壓相結構的形成是重要因素（Phys. Rev. Lett., 2020, 124, 065701），這一結果啟發團隊在探索六方金剛石的人工合成時，高壓相結構很可能是關鍵。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律，發現石墨在高壓力區間會形成“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（圖1）。研究團隊進一步結合大尺度分子動力學理論模擬，揭示出石墨層堆疊構型對形成六方金剛石結構的關鍵作用，證實了石墨經由后石墨相形成六方金剛石的全新路徑（圖2）。
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高溫高壓合成及其優異物性
圖3. 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
研究團隊長期自主研發大腔體超高壓實驗技術，針對大腔體壓機腔體尺寸與壓力極限矛盾關系這一國際性難題，開發了系列新型國產碳化鎢壓砧以及超高壓組裝體，在高溫下實現了40GPa超高壓，將原有的壓力極限提升60%，為高溫高壓材料宏量制備提供了技術支撐（Engineering, 2025,DOI: 10.1016/j.eng.2023.03.023；Chin. Phys. Lett., 2020, 37, 080701）。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30 GPa、1400 ℃的條件下，成功制備出毫米級高取向六方金剛石塊材（圖3）。發現了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，真空環境下其熱穩定性可以達到1100 ℃，優于納米金剛石的900 ℃。
該研究成果的第一完成單位為吉林大學高壓與超硬材料全國重點實驗室和綜合極端條件高壓科學中心，論文第一作者為陳德斯博士、共同一作為陳顧文博士（中山大學）。劉冰冰教授、董家君研究員、朱升財教授（中山大學）和姚明光教授為論文共同通訊作者，與瑞典于默奧大學B. Sundqvist教授、吉林大學電子顯微鏡中心張偉教授以及上海同步輻射光源的何丙辰研究員等共同合作完成。該工作得到了國家基金委項目和國家重點研發計劃項目的資助。
來源：吉林大學物理學院
