我科学家合成纯相六方金刚石，硬度超越天然钻石

一颗小小的晶体，同时挑战了材料科学的极限，也终结了长达数十年的科学争议。

“世界金刚石看中国，中国金刚石看河南。”这句在超硬材料领域流传已久的名言，如今又增添了新的注脚。

北京时间2026年3月5日，郑州大学物理学院金刚石材料与器件团队在国际顶尖期刊《自然》（Nature）上发表了一项突破性研究成果。他们成功合成出纯相六方金刚石块材，并精确解析了其晶体结构。

这种被称为“陨石钻石”的特殊材料，不仅解决了科学界长期存在的争议，其硬度表现甚至超越了传统的立方金刚石。

01 从陨石中来：神秘的“六方金刚石”

传统金刚石为立方晶系结构，这是我们熟悉的钻石形态。但1967年，科学家在陨石中发现了一种六方结构的碳同素异形体——六方金刚石，也称为“朗斯代尔石”或“陨石钻石”。

理论预测表明，这种独特的原子堆垛方式赋予其超越立方金刚石的硬度，引起了科研人员的广泛关注。

然而，天然六方金刚石仅以纳米级颗粒嵌在陨石中，极难分离。其形成源于陨石撞击所产生的极端条件，过程短暂且概率极低。更为关键的是，六方金刚石在实验条件下的形成能垒高于立方金刚石，导致高温高压合成产物多以立方相为主。

因此，六方金刚石是否能够独立稳定存在，长期以来一直是科学界的未解之谜。而其本征物性也由于样品尺寸过小，难以通过实验精确测量。

合成的六方金刚石的晶体结构、X射线衍射以及原子级分辨图像

02 五年攻关：郑州大学的突破性成果

针对上述问题，郑州大学金刚石材料与器件团队科研人员历时五年潜心研究，从设备研制入手，开发出大腔体单轴高压技术。

在此基础上，以高定向热解石墨为前驱体，提出石墨层受限滑移的思路，在20 GPa，1300℃条件下成功制备出毫米尺寸纯相六方金刚石。

这一成果来之不易。研究团队通过同步辐射X射线衍射、球差校正透射电子显微镜及电子能量损失谱等先进表征手段，系统解析了其晶体结构与成键特征，获得了清晰的原子级分辨图像，证实了其为六方晶系金刚石。

原子分辨图像显示出明显的ABAB层状堆垛序列，这是六方金刚石的典型特征。而传统立方金刚石呈ABCABC堆垛方式，两者可以通过这一结构差异清晰区分。

03 解开创新谜团：全新相变机制的揭示

除了实验合成，研究团队还与南京大学孙建教授合作，结合机器学习分子动力学模拟，揭示了六方金刚石的全新相变路径。

模拟显示，在高压条件下，如果石墨层之间存在少量层间共价键缺陷，这些位置会成为六方金刚石的成核中心。随着压力和温度升高，这些微小结构逐渐扩展，形成稳定的六方金刚石晶核。

研究发现，层间共价键具有两个关键作用：第一，它们降低了六方金刚石成核所需的能垒，使相变更容易发生；第二，它们能够抑制石墨层之间的滑移运动，从而稳定形成六方堆垛序列。

如果石墨结构过于无序，层状结构发生褶皱或错位，则更容易形成立方金刚石。因此，高度取向的石墨结构和单轴压缩应力成为实现六方金刚石合成的关键条件。

04 超越钻石：优异的力学性能

基于所获得的六方金刚石材料，研究团队采用超声波声速、纳米压痕和维氏硬度等方法系统表征了其力学性能。

维氏硬度测试结果显示，块体六方金刚石在轴向方向的硬度约为114 ± 6.4 GPa，与天然钻石的硬度（约110 GPa）基本相当，甚至略高。

进一步的超声波测试表明，六方金刚石的杨氏模量约为1229 GPa，剪切模量约为516 GPa，均明显高于立方金刚石（约1087 GPa和443 GPa）。这说明六方金刚石不仅硬度极高，而且整体刚度更强。

热稳定性测试同样令人印象深刻。热重分析表明，该材料的氧化起始温度约为1121 K，高于许多类型的钻石材料，在高温环境下展现出优异的稳定性。

05 科学意义：终结长期争议

这一研究成果获得了审稿人的高度评价，被认为是“truly convincing”（真正令人信服），“provide a more complete picture”（提供了更完整的图景），“resolve a long-standing controversy on the existence of hexagonal diamond”（解决了关于六方金刚石存在的长期争议）。

这些来自不同独立研究组的相互印证，进一步证实了六方金刚石人工合成的可行性，不仅为实现长久以来人们合成六方金刚石的夙愿提供了明确方案和关键证据，也为六方相金刚石的规模化制备及其未来应用开辟了路径。

值得一提的是，这一研究困境直至2025年才取得重要突破：2月，吉林大学刘冰冰教授团队率先报道了六方金刚石块材的合成；同年7月，北京高压科学研究中心毛河光院士团队利用高纯度天然单晶石墨也成功制备出六方金刚石。而郑州大学团队的成果，则进一步揭示了六方金刚石的形成机制及其在原子尺度上的精细晶体结构。

随着合成技术的进一步优化，若能制备出更大尺寸的单晶六方金刚石材料，其在高端制造、极端环境工程以及深地科学研究中的应用潜力将更加广阔。

从陨石中的纳米级痕迹，到实验室里的毫米级块材，这条科学之路走了近60年。郑州大学的这项成果，不仅标志着我国在超硬材料领域的重要进展，也为“终极半导体”的应用探索提供了全新可能。

金刚石很硬，但科研人员的韧劲更硬；钻石很闪亮，但科学突破的光芒更耀眼。这项研究的背后，是科研团队无数个日夜的坚守，是“欲文明其精神，先自野蛮其体魄”的坚持，也是河南这片土地孕育出的产业硕果。