中國粉體網訊  近日，北京高壓科學研究中心與中國科學院西安光機所科學家帶領的國際研究團隊成功將高質量石墨單晶前驅體轉化為百微米級、高度有序的六方金剛石，相關研究以“Synthesis of bulk hexagonal diamond”為題發表在《Nature》。

金剛石具有無與倫比的硬度、卓越的熱傳導性以及優異的光學特性，這些卓越性能源于其獨特的晶體結構：由sp³雜化碳原子構成的完美四面體配位網絡，這種結構雖然堅硬又耐磨，但也存在弱點：某些平面一旦受力，就容易錯位滑移，限制其強度，而六方金剛石規避了這種問題。

六方金剛石是一種與立方金剛石結構相似但性能更為優異的同素異形體。但六方金剛石的形成條件極為苛刻，人工合成的最大難點是高溫高壓下六方金剛石的形成能量高于立方金剛石，因此高溫高壓產物通常以立方金剛石為主，難以得到六方金剛石。

我國科學家們創新性地提出了一種由石墨到六方金剛石轉變的方法。通過采用金剛石對頂砧（DAC）技術，在可控高溫高壓（準靜水壓條件）下，成功將高質量石墨單晶前驅體轉化為百微米級、高度有序的六方金剛石。團隊借助原位單晶X射線衍射技術，首次精確揭示了石墨-六方金剛石相變過程中的晶體學取向關系，系統闡明了其相變機制，并確認了合成樣品特有的三重孿晶結構。為實現六方金剛石力學性能的準確表征，團隊進一步開發了大腔體壓機合成工藝。通過優化固體傳壓介質組合，有效抑制了差應力效應，最終在20GPa/2073K的極限條件下，成功制備出毫米級六方金剛石塊體樣品。

高溫高壓合成的塊體六方金剛石（左上：DAC中合成，左下：大腔體壓機中合成）和六方及立方金剛石結構示意圖，圖源：北京高壓科學研究中心官微

該研究創新性包括：

1.通過原位單晶X射線衍射技術，首次在原子尺度揭示了石墨向六方金剛石轉變的晶體學路徑，明確了其相變機制。

2.綜合運用高分辨透射電子顯微鏡（HRTEM）、X射線拉曼光譜、電子能量損失譜（EELS）及紫外拉曼光譜等多尺度表征手段，確證了六方金剛石的sp³雜化特性，證實其與立方金剛石具有相同的化學鍵合方式，但鍵長呈現出雙鍵長特征。

3.維氏硬度測試表明，六方金剛石展現出與立方金剛石相當的力學性能，為其在超硬材料領域的應用提供了直接證據。

六方金剛石表征

這一系統性研究不僅終結了60多年關于六方金剛石宏觀存在的爭議，也為接下來將六方金剛石作為新一代高性能功能材料的開發奠定了堅實基礎。

參考來源：北京高壓科學研究中心、材料科學與工程公眾號、nature

（中國粉體網編輯整理/石語）

注：圖片非商業用途，存在侵權請告知刪除！