近日，郑州大学单崇新团队在碳材料研究领域取得重大突破，成功合成出毫米级纯相六方金刚石，并揭示了其独特的物理特性与相变机制。这一成果于2026年3月4日发表于国际顶级学术期刊《自然》杂志，题为"Bulk hexagonal diamond"，为碳材料家族增添了新的重要成员，也为极端条件下材料科学的发展提供了关键参考。
金刚石作为自然界最坚硬的物质，长期被视为材料科学的"皇冠明珠"。其中，立方金刚石因优异的电学、热学和机械性能，被科学界誉为"终极半导体"，在量子计算、高功率电子器件等领域展现出巨大潜力。然而，其同素异形体——六方金刚石的研究却长期停滞不前。这种与陨石撞击事件密切相关的碳相结构，虽在理论上被预测具有独特性质，但受限于合成技术瓶颈，始终未能获得确凿的实验验证。其是否存在独立物相、具体物理参数如何等核心问题，成为材料科学领域持续数十年的争议焦点。
研究团队突破传统高压合成方法的局限，创新性地采用高温条件下沿c轴方向压缩高定向热解石墨的技术路线。通过精确控制压力梯度与温度场分布，成功克服了六方金刚石与立方金刚石共存导致的相分离难题，最终获得直径达1.2毫米的纯相六方金刚石单晶。这一尺寸突破使样品能够直接用于宏观性能测试，为系统研究其物理特性奠定了基础。
结构表征显示，该材料具有完美的六方晶系对称性，晶格常数与理论预测高度吻合。通过同步辐射X射线衍射与高分辨透射电镜的联合分析，研究证实其晶体结构中不存在立方相夹杂，纯度达到99.97%以上。理论模拟进一步揭示，石墨向六方金刚石的相变遵循独特的层间滑移机制：在特定压力-温度窗口下，石墨层间发生协同剪切运动，碳原子重排形成六方密堆积结构。这一发现修正了传统模型中仅考虑垂直压缩的简化假设，为理解碳材料相变动力学提供了新范式。
性能测试结果令人振奋：块体六方金刚石的维氏硬度达167 GPa，较立方金刚石提升8%，成为已知最硬的天然物质之一。其热稳定性同样表现优异，在1200℃空气中加热2小时后，质量损失不足0.3%，远优于立方金刚石在相同条件下的表现。更值得关注的是，六方金刚石在极端压力环境下展现出独特的各向异性响应——沿c轴方向压缩时，其硬度提升幅度是立方金刚石的两倍，这种特性使其在深空探测、核反应堆防护等极端工况应用中具有潜在优势。
该成果具有多重科学意义。首先，通过实验证实了六方金刚石作为独立碳相的客观存在，终结了学术界持续半个世纪的争议。其次，建立的相变机制模型为调控碳材料结构提供了理论指导，相关技术可延伸至纳米碳管、石墨烯等低维材料的可控合成。更重要的是，毫米级单晶的获得使系统表征其本征物理性质成为可能，为发现新奇量子现象、开发新型功能器件奠定了材料基础。
在应用前景方面，六方金刚石的优异性能使其在多个尖端领域展现潜力。其超高硬度与热稳定性可满足下一代切削工具对耐磨性的严苛要求；各向异性特征为设计新型压电材料、声学器件提供了新思路；而理论预测的光学非线性效应，则可能推动超快激光技术的发展。研究团队正在探索通过掺杂调控其电学性质，以期在宽禁带半导体领域实现突破。
这项突破性成果标志着我国在极端条件材料合成领域达到国际领先水平。从实验设计到技术实现，研究团队攻克了高压装置精密控制、相纯度保障、宏观尺寸生长等多重难题，形成的整套技术方案具有完全自主知识产权。相关专利布局已覆盖材料制备、性能测试、器件应用等全链条，为后续产业化转化奠定了坚实基础。
随着研究的深入，六方金刚石有望在更多未知领域展现其独特价值。这项发现不仅丰富了碳材料家族的图谱，更为人类探索物质世界的基本规律、开发下一代功能材料提供了全新视角。在追求材料性能极限的道路上，中国科学家正持续贡献着关键力量。
DOI: 10.1038/s41586-026-10212-4
