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在人們的普遍認知中，金剛石（即鉆石）特指具有立方晶體結構的sp3型碳單質。然而鮮為人知的是，sp3碳家族中還存在著一種結構奇特的六方金剛石。作為碳元素sp3雜化的另一種同素異形體，理論研究表明，六方金剛石的機械性能將遠超越傳統立方金剛石，使其成為材料科學界競相追逐的圣杯級超硬材料。遺憾的是，高純度六方金剛石的合成面臨極大的挑戰，導致其宏觀存在一直處于爭議中。
近日，北京高壓科學研究中心毛河光院士、楊文革研究員、楊留響研究員與中國科學院西安光機所羅端研究員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，該成果已發表于國際期刊《自然》。
該研究表明，六方金剛石的力學性能可與立方金剛石相媲美，且與僅具有單一碳-碳鍵長的立方金剛石相比，六方金剛石呈現出兩種不同的鍵長分布，且層間距顯著縮短，這種獨特的碳原子堆垛方式，將有效克服立方金剛石的密堆積面易滑移的弱點。
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，更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。
左圖為常見金剛石的碳原子結構排列，右圖為六方金剛石的碳原子排列。
“ 普通金剛石的碳原子以相同的鍵長相連接。而我們合成的六方金剛石碳原子之間存在兩種不同鍵長，四分之一的‘碳-碳’鍵更短更強，克服了金剛石密堆積面易滑移的弱點，具備更優越的硬度、韌性。” 楊文革研究員說。
楊留響研究員介紹，高純度六方金剛石的合成，歸功于兩項關鍵技術：一是選擇純度高、無雜質的天然石墨單晶，有助于得到純度更高、微米級大小、結構有序的六方金剛石樣品；二是采用恰當的探測手段 - 研發人員給石墨晶體不斷加壓，并用高壓原位X光觀測樣品變化，避免了密堆積面的滑移，最終制得純凈、未變形的六方金剛石塊體。
“這項工作為下一步類金剛石材料研究奠定方法基礎。六方金剛石更加出色的硬度、導熱性、光學性能、量子特性等，也將為超硬材料和高端電子器件研發開辟新路徑。” 高壓物理學家、中科院外籍院士毛河光說。
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2：六方金剛石高分辨透射電鏡，選區電子衍射(SAD)，及X射線拉曼，硬度測試圖。
另外，無論金剛石對頂砧還是大腔體壓機合成的六方金剛石相均可以保留到環境條件。硬度測試表明六方金剛石的硬度未達到理論預期值，但仍可媲美傳統立方金剛石。" 這項研究遠未結束，我們這次合成的六方金剛石樣品是具有高度取向的類單晶體（三重孿晶），要實現六方金剛石的實際應用，我們仍需進一步優化合成工藝參數，特別是要突破大尺寸單晶制備的技術瓶頸。這一突破將有助于我們全面揭示六方金剛石的本征性能，并推動其未來在工業領域的實際應用。" 楊留響研究員表示。
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