“通常来讲，我们认为立方金刚石是最硬的材料，但六方金刚石比它的硬度更高。”北京高压科学研究中心主任杨文革告诉记者，前不久，其团队联合中国科学院西安光学精密机械研究所罗端团队，首次在国际上成功合成百微米至毫米级、结构有序、高纯度的“超级钻石”——六方金刚石块体样品，相关论文发表于《自然》。

　　此研究证实，六方金刚石是立方金刚石的六方对应物。研究人员通过实验并使用多种表征方式验证了六方金刚石的存在，完整描述了其晶体结构、电子结构、应力学性质和光学透明性等各种特性。这终结了学界60多年来关于六方金刚石是否作为真实矿物存在的争议。

　　　从理论走向实验室

　　立方金刚石是碳材料，它的独特电子结构叫做SP3，其碳原子之间以1.54埃的键长和109.5°的键角相互结合，形成完美的四面体结构。这种单一类型的键合在二维方向上无限延伸，形成褶皱的蜂窝状碳层，而这些层在三维方向上以相同的1.54埃键长堆叠。“这种碳原子结构单元决定了金刚石的硬度和其他极端特性，但其层间的键合相对较弱，从而限制了金刚石的整体强度。”杨文革介绍，六方金刚石也以SP3碳原子结构单元为构成基础，但其层间键高度被大量缩短，层和层之间的作用力更强，意味着其硬度更高。

　　此前，地质学家凯瑟琳·朗斯代尔在迪亚布洛峡谷铁陨石中发现了天然的六方金刚石，但那时候科学家只能借助X光衍射观察到六方金刚石的粉晶混合体。数十年来，科学家曾通过模拟陨石撞击地球时产生高温高压快速形变条件的动态爆炸和类似深海条件下的静态压缩等方式，探测研究六方金刚石的形成机制。

　　“之前，从未有科学家发现超过几个原子层厚度的块状六方金刚石，这导致很长一段时间里，六方金刚石充满争议。它是否只能夹杂在立方金刚石里，而非一种独立的新材料？它是否只是石墨演变成金刚石的中间过渡相？它是否只是在某种冲击波极端条件下才能形成的微量物质？学界甚至对其作为一种真实物相的存在产生怀疑。”杨文革说。

　　全面“扫描”合成过程

　　“我们首次通过高压原位观测到石墨转变为六方金刚石的过程，为之后稳定合成块状六方金刚石打下了基础。”论文第一作者杨留响一边向记者展示一块1毫米的“黑盐粒”，一边说。科学家此前也曾尝试合成过六方金刚石，但相关样品包含不同比例的立方金刚石、无定形碳或残留石墨，因此无法从这种多相混合物中确定六方金刚石是否独立存在，更无法详细分析其硬度及其他物理、化学性质。“目前我们合成的六方金刚石纯度为99%。”他说。

　　本次研究使用金刚石对顶砧和大体积压机，在准静水压高压条件下，以单晶石墨为起始材料进行压缩和加热。具体实验中，团队采用高压原位同步辐射实验，实时观测单晶石墨的演变过程。在经过长达8年之久、40多次反复试验之后，研究人员最终发现，单晶石墨在高压力区间会形成“后石墨相”高压结构，随后通过局部加热可成功合成六方金刚石。“我们在样品原位上改变压力和温度，用X光衍射同步观测石墨晶体生长情况。这相当于对演变过程做了全面‘扫描’，改变了以往抽彩票式设置压力及温度参数的方式，以及单次参数设定后做完实验再拿出来看样品情况的思路。”杨文革说。

　　与此同时，研究团队结合大尺度分子动力学理论模拟，揭示了石墨层堆叠构型对形成六方金刚石结构的关键性作用。这一发现证实了石墨经由“后石墨相”形成六方金刚石的相变路径。“我们还进一步通过X光衍射、高分辨率透射电子显微镜、X射线拉曼光谱、电子能量损失谱、紫外拉曼光谱和维氏硬度测量等，反复研究验证六方金刚石的存在。”杨留响说。

　　拓展新应用空间

　　实验数据显示，合成的六方金刚石褶皱蜂窝层之间的键合更短且更强，其硬度高达155千兆帕斯卡（GPa），约比天然金刚石高40%。此外，在真空环境下，其热稳定性可达1100℃，明显优于立方金刚石的900℃表现。

　　六方金刚石的这些特征为超硬材料的制备开辟了新的技术方向，在工业应用中展现出巨大潜力。“未来我们将进一步探索六方金刚石和立方金刚石更多的具体性差异。”上述论文通讯作者之一、中国科学院外籍院士毛河光说，目前金刚石在磨料、钻井、硅片制备等方面有广泛应用，随着六方金刚石纯度的进一步提高以及合成体积的增大，将为各类极端环境条件下的材料选择提供更多可能。

　　目前，该研究团队也在与国内外团队合作，试图通过掺杂实验，得到六方金刚石内的NV色心，希望将六方金刚石引入量子点的测量和磁性检测领域，解锁其更多性质特征，挖掘六方金刚石作为潜在优良技术材料的路径。

　　“立方金刚石像一个立方块、一个魔方，某种程度上，对六方金刚石键合特征的揭秘打开了金刚石家族的‘魔盒’。将来，通过控制键合的长度，把‘魔方’拉高、压低、扭转，可能会创造更多不同硬度的金刚石成员。”杨文革说。