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标题仅3个词!郑州大学,重磅Nature!

2026-03-31 08:24:25

被誉为“终极半导体”的立方金刚石（cubic diamond, CD），因其卓越的物理与电子性质，在科学研究与工业应用领域长期受到广泛关注。其多形体——六方金刚石（hexagonal diamond, HD）——则更加引人注目，因为它常与陨石撞击等极端条件下形成的特殊结构相关。

然而，由于缺乏确凿而直接的实验实证，HD 的真实存在及其物理性质长期处于争议之中，其材料特性也因此始终未能得到系统研究。

在此，来自南京大学的孙建、郑州大学的杨西贵、程少博&单崇新等研究者报道了一种通过在高温条件下沿c 轴方向压缩高定向热解石墨（highly oriented pyrolytic graphite, HOPG），成功合成毫米级、单一相纯度的六方金刚石的方法。相关论文以题为“Bulk hexagonal diamond”于2026年03月04日发表在Nature上。

论文简介

六方金刚石（HD），又称朗斯代尔石（lonsdaleite），因其理论预测硬度超过立方金刚石（cubic diamond, CD），并可能作为陨石撞击事件的重要矿物学标志，而受到广泛关注。

自约 60 年前在 Canyon Diablo 陨石中首次被发现以来，科研人员一直致力于探索其合成方法，主要途径包括：在高压高温（high pressure and high temperature, HPHT）条件下处理石墨类碳材料，以及通过爆轰或冲击压缩石墨样品实现相变。

尽管对热解石墨（pyrolytic graphite）进行冲击压缩的实验曾提供过 HD 存在的证据，但该方法通常只能在压缩波传播过程中进行原位观测其离散晶体结构，而样品在实验过程中往往会被破坏，因此难以获得可稳定存在的块体材料。

此外，由于立方金刚石在热力学上更稳定，无论是在自然样品还是人工合成产物中，通常都以 CD 为主要相，仅伴随少量 HD 或残余石墨存在。

这种多相混合体系往往通过 X 射线衍射（XRD）或选区电子衍射进行表征，但不同相之间的衍射特征存在较强重叠，使得 HD 的准确鉴定变得十分困难。

部分研究甚至提出，以往被归因于 HD 的结构特征，实际上可能来源于含有层错（stacking faults）或纳米孪晶（nanoscale twins）的立方金刚石结构，从而进一步引发了关于 HD 相真实性的质疑。

因此，由于难以获得块体纯相六方金刚石，HD 的存在长期处于争议之中，其本征物理性质也难以得到深入研究。

在本文中，研究者提出了一种有效合成块体纯相六方金刚石的新途径：在 HPHT 条件下对高定向热解石墨（HOPG）进行压缩处理。

通过系统的结构表征，包括同步辐射 X 射线衍射（synchrotron XRD）和原子分辨扫描透射电子显微镜（scanning transmission electron microscopy, STEM），研究者明确证实所得材料为P6₃/mmc晶体结构的六方金刚石。

进一步的分子动力学模拟表明，在压缩过程中形成的层间键合（interlayer bonding）能够有效抑制石墨层之间的滑移，从而促进六方金刚石相的成核与生长。这一结果不仅为实现纯相 HD 的可控制备提供了可行路径，也为理解石墨向六方金刚石转变的微观机制提供了新的理论依据。

图1 石墨的XRD谱图和P-T相图。

图2 在 20 GPa、1300 °C 条件下获得并回收的块体六方金刚石（HD）的原子结构表征。

图3 基于机器学习势函数的大规模分子动力学模拟，揭示高定向热解石墨（HOPG）向六方金刚石（HD）转变的结构演化过程。

图4 块体六方金刚石（HD）的力学性能与热学性质表征。

综上所述，本研究通过在高压高温（HPHT）条件下压缩高定向热解石墨（HOPG）前驱体，成功合成了由层状纳米结构堆叠而成的块体纯相六方金刚石（HD）。

结合结构表征与光谱分析，并辅以大规模分子动力学模拟，研究者明确验证了所得材料的 HD 相结构，并揭示了层间键合在石墨向六方金刚石转变过程中所起的关键作用：该键合能够有效抑制石墨基面滑移，从而驱动石墨向 HD 相转化。性能测试表明，六方金刚石的硬度略高于立方金刚石（CD），同时表现出较高的剪切模量和优异的热稳定性。这些研究结果不仅为理解极端条件下石墨向金刚石的相变机制提供了重要的基础性认识，也为块体六方金刚石的可控制备提供了一条切实可行的技术路径。

此外，该研究还有助于解释天然朗斯代尔石（lonsdaleite）在自然界中罕见形成的原因，并为六方金刚石在先进工业技术及地球科学研究中的潜在应用开辟了新的发展空间。