解决世纪争议难题,郑州大学“最硬核团队”重磅Nature: 合成纯相块状六方型金刚石

六方金刚石（HD），又称为蓝丝黛尔石，因其理论硬度超越立方金刚石（CD），且可作为陨石撞击的矿物学标志而备受关注。自约60年前在陨石中发现后，科学家尝试通过高压高温处理或冲击压缩石墨等方式合成HD，但由于CD在热力学上更稳定，天然和合成产物中均优先形成CD，HD仅以微量存在，且易与具有堆垛层错的CD混淆，导致HD的物相真实性备受质疑。

尽管过去60年间尝试通过高压高温（HPHT）或冲击压缩合成HD，但产物通常是多相混合物，且由于热力学稳定性，立方金刚石往往优先形成，导致难以获得用于性质表征的纯相块体。因此，HD的存在长期存在争议，其物理特性也因缺乏纯相样本而难以深入研究。

研究团队利用机器学习势函数进行了大规模分子动力学模拟，揭示了从HOPG到HD的转化路径。结果显示，成核始于预先引入的层间共价键位点，这些化学键起到了双重关键作用：首先，它们作为能量上有利的成核中心，显著降低了转化势垒；其次，它们有效抑制了石墨层间的过度滑移，从而稳定了特定的堆叠顺序，防止系统向立方金刚石等竞争相转化。相比之下，缺乏缺陷的单晶石墨转化受阻，而无序石墨因层间易滑动倾向于生成CD。这证实了单轴应力与层间键合的协同作用是锁定HD形成路径、获得高纯产物的关键。

本研究首次提供了直接的实验测量证据。在9.8 N载荷下，块体HD的维氏硬度达到114 ± 6.4 GPa（轴向），略高于天然金刚石（约110 GPa）。超声波测量进一步揭示，HD的杨氏模量（1229 GPa）和剪切模量（516 GPa）均显著高于单晶立方金刚石，证实了其极高的本征刚度。纳米压痕测试的结果与超声波测量保持了高度一致性，确保了数据的鲁棒性。在热稳定性方面，HD表现出卓越的耐氧化性，其起始氧化温度为1121 K，高于天然金刚石以及其他已知的金刚石材料。这种硬度、刚度与热稳定性的独特组合，使得HD成为先进工业应用的极佳候选材料，并为理解极端压力下的碳行为提供了关键物相支撑。

图4、大块HD的机械和热性能 

本研究通过对HOPG在前驱体、压力方向及HPHT条件上的精确控制，成功合成了毫米级纯相块体六方金刚石。通过多维度结构表征和理论模拟，不仅终结了关于HD是否存在的长期科学争论，还揭示了层间键合抑制滑移这一关键转化机制。HD展现出的超高硬度和优异热稳定性，使其在精密加工、高性能半导体器件以及地球科学研究中具有巨大的应用潜力。

参考文献：

Lai, S., Yang, X., Shi, J. et al. Bulk hexagonal diamond. Nature (2026). 

https://doi.org/10.1038/s41586-026-10212-4

单崇新教授简介

单崇新教授1999年本科毕业于武汉大学，2004年博士毕业于中国科学院长春光学精密机械与物理研究所。2004年到2008年先后在香港中文大学和英国诺丁汉大学进行博士后研究。2008年以“引进国外杰出人才”身份回国，进入中科院长春光学精密机械与物理研究所工作。2015年入职郑州大学。近年来一直从事金刚石光电材料与器件研究，已发表SCI论文260余篇，被SCI他引5600余次。获国家杰出青年基金、长江学者特聘教授、中国青年科技奖、中原学者、中组部万人计划“青年拔尖人才”、人社部“百千万人才工程”及国家有突出贡献中青年专家、河南省杰出专业技术人才、河南省五四青年奖章、河南省创新争先奖状、河南省优秀科技专家等奖励和荣誉。

程少博教授简介

程少博，郑州大学物理学院教授，长期从事原位透射电子显微学等相关领域的研究，近几年在Science, PNAS, Nature Communications 等期刊共发表学术论文70余篇，其中第一作者或通讯作者发表论文和专著共30余篇，包括Science Advances, PNAS（3篇）, Physical Review Letters（封面文章）, Advanced Functional Materials, Nano Letters等。2021年入选了国家级人才计划青年项目（海外），2021年获得美国能源部前沿研究中心的杰出冯诺依曼博士后奖，2020年获得美国电子显微学会Postdoctoral Award, 2017年获得清华大学优秀博士学位论文奖，博士论文被选编入清华大学优秀博士论文丛书并出版发行。目前担任美国物理学会（APS）期刊的青年仲裁编辑，及其他国际期刊的青年编委。

杨西贵教授简介

杨西贵，郑州大学物理学院教授，博士生导师，九三学社社员。国家优秀青年科学基金、河南省杰出青年科学基金、中国科协青年人才托举工程获得者，河南省高层次人才。2017年博士毕业于吉林大学超硬材料国家重点实验室，获吉林省优秀博士毕业论文，同年入职郑州大学物理学院（金刚石材料与器件单崇新教授课题组）。一直从事金刚石材料与器件及高压物理研究，近年来以第一/通讯作者在Proc. Natl. Acad. Sci.、Nat. Commun.、Phys. Rev. Lett.、Adv. Mater.等期刊发表SCI学术论文30余篇，申请国家发明专利20项，主持国家级科研项目4项、省部级项目6项，获中国电子学会科学技术奖、河南省高校黄大年式教师团队（骨干）、河南省机械工业科学技术奖等奖励和荣誉。

孙建教授简介

孙建，南京大学物理学院和固体微结构物理国家重点实验室教授，博士生导师，国家杰出青年基金获得者。2002年南京大学物理系本科，2007年南京大学物理系博士。2007-2013年先后在加拿大国家研究委员会、德国波鸿鲁尔大学、英国剑桥大学卡文迪许实验室从事博士后研究，2013年到南京大学物理学院工作至今。在高压物理、计算凝聚态物理、材料设计与模拟、行星深部物质等研究领域积累多年。自主和合作发展了多个机器学习驱动的物质模拟方法，包括机器学习和图论辅助的晶体结构预测新方法（MAGUS），高阶张量消息传递机器学习力场（HotPP），机器学习分子动力学引擎（GPUMD，与樊哲勇等人合作开发）等；预言了多个新材料，若干被实验证实；预言了若干系统在高温高压下的超离子态、塑晶态和协同扩散态等新奇物态。已发表学术论文130余篇（一作/通讯100余篇），包括重要期刊（Nat. Phys./Nat. Commun./PRL/PRX/PNAS/JACS）论文28篇（一作/通讯26篇）。曾获2007年加拿大NSERC奖学金、2008年德国洪堡奖学金、2011年中国国家自然科学二等奖（第五完成人）、2012年欧盟玛丽居里奖学金、2013年“国家海外高层次青年人才”、2014年GRC Van Valkenburg奖、2015年江苏省杰出青年基金、2021年国家基金委杰出青年基金。担任中国物理学会高压物理专业委员会委员、中国材料学会计算材料学分会委员、中国化学会高压化学专委会委员、《物理学进展》副主编、Matter and Radiation at Extremes和《高压物理学报》编委。主持国家基金委重大项目、杰出青年基金项目、面上项目和科技部重点研发计划课题等国家级项目7项。

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