近日，國際頂級期刊Nature在線發(fā)表題為“Bulk hexagonal diamond”的研究論文，報道了塊體六方金剛石（Hexagonal Diamond, HD，又稱Lonsdaleite）的成功合成與系統(tǒng)表征成果。該研究由鄭州大學(xué)、南京大學(xué)等單位聯(lián)合完成，主要通訊作者包括單崇新教授、程少博教授、孫建教授、楊西貴教授。
這項工作直面一個持續(xù)近60年的科學(xué)爭議：六方金剛石是否作為獨(dú)立碳相真實存在。自1960年代在隕石中發(fā)現(xiàn)所謂“Lonsdaleite”以來，學(xué)界普遍認(rèn)為其為金剛石的六方同質(zhì)多形體，但長期以來缺乏“純相、塊體”實驗證據(jù)。此前多項研究指出，所謂六方金剛石的結(jié)構(gòu)特征，可能只是立方金剛石（CD）中存在層錯或?qū)\晶結(jié)構(gòu)所導(dǎo)致的衍射假象。因此，能否合成高純度、可回收、可系統(tǒng)測試的塊體HD，成為驗證其獨(dú)立相存在的關(guān)鍵。
研究團(tuán)隊選擇高度取向熱解石墨（HOPG）作為前驅(qū)體，在Kawai型大體積高壓裝置中，于約20 GPa壓力、1300–1900°C溫度窗口下進(jìn)行壓縮處理。通過在樣品上下設(shè)置氧化鋁墊片，實現(xiàn)沿石墨c軸方向的主單軸應(yīng)力分量，從而抑制層間滑移，為六方堆垛的形成創(chuàng)造條件。最終獲得直徑約1.5 mm的毫米級塊體樣品。
在結(jié)構(gòu)驗證方面，研究通過同步輻射XRD、原子分辨ADF-STEM、SAED、EELS、XPS和拉曼等多手段交叉表征，確認(rèn)樣品為P6?/mmc空間群的純六方結(jié)構(gòu)。XRD特征峰與六方模型高度吻合，排除了立方金剛石層錯或?qū)\晶解釋；原子分辨圖像清晰呈現(xiàn)ABAB堆垛及沿[001]方向的六重對稱空心碳環(huán)結(jié)構(gòu)；EELS證實全部為sp3鍵合，密度約3.51 g/cm3。結(jié)果表明，樣品為結(jié)構(gòu)完整、相純的塊體六方金剛石。
性能測試結(jié)果顯示，塊體HD軸向維氏硬度達(dá)114±6.4 GPa，楊氏模量1229±15 GPa，剪切模量516±18 GPa，整體剛度與硬度略高于對比的天然立方金剛石樣品；同時具有較高的氧化起始溫度，展現(xiàn)出優(yōu)異的熱穩(wěn)定性。這些特性使HD在高溫、高壓環(huán)境下的工業(yè)應(yīng)用（如鉆探工具或電子器件）具有巨大潛力。
總體而言，該研究首次實現(xiàn)了可回收、相純、毫米級塊體六方金剛石的可控合成，并通過嚴(yán)謹(jǐn)?shù)慕Y(jié)構(gòu)與性能表征，實驗證實了HD作為獨(dú)立碳相的存在，回應(yīng)了長期爭議。其成果不僅深化了對石墨–金剛石相變機(jī)制的理解，也為未來在超硬材料、極端環(huán)境材料及地學(xué)研究中的應(yīng)用探索提供了新的材料平臺。
圖文導(dǎo)讀
圖1 | 石墨的XRD圖譜與P–T相圖。
圖2 | 從20 GPa和1,300 °C條件下回收的塊狀HD的原子結(jié)構(gòu)。
圖3 | 基于機(jī)器學(xué)習(xí)勢能的大規(guī)模分子動力學(xué)模擬，展示HOPG向HD的相變過程。
圖4 | 塊狀HD的機(jī)械和熱學(xué)性能
