【实验+计算】郑州大学单崇新/程少博/杨西贵/南京大学孙建团队Nature:块体六方结构金刚石

金刚石凭借其极高的硬度、优良的导热性能以及稳定的化学特性，被学术界誉为“终极半导体材料”。除广泛存在的立方金刚石外，理论层面还存在一种结构存在差异的同素异形体——六方金刚石（hexagonal diamond，又称Lonsdaleite）。这类材料被认为其硬度有望超越普通立方金刚石，且与陨石撞击等极端地质作用密切相关，因此在材料科学与地球科学两大领域均受到广泛关注。然而，在过去数十年间，由于实验制备的样品多为多相混合物，且其结构特征易与含缺陷的立方金刚石混淆，六方金刚石能否作为一种独立物相真实存在，始终是该领域存在的重大争议点。

针对这一科学争议，研究团队提出了一种高效可行的合成方案：在高压高温条件下，对高度取向热解石墨（HOPG）沿晶体c轴实施定向压缩。借助同步辐射X射线衍射、原子分辨扫描透射电子显微镜等先进表征技术，研究人员明确证实了毫米级纯相六方金刚石的成功合成，并验证其晶体结构归属于P6₃/mmc空间群。理论模拟研究进一步揭示，在压缩过程中，石墨层间会形成新的化学键，该化学键可有效抑制石墨层间的滑移现象，进而推动六方结构的成核与生长进程。实验测试结果表明，所制备的块体六方金刚石硬度略高于普通立方金刚石，且具备良好的热稳定性。该研究成果不仅有效解决了长期以来关于六方金刚石真实存在性的学术争议，同时深化了科研人员对“石墨—金刚石”相变机制的认知，为后续新型超硬材料的开发及极端环境下的材料应用提供了重要的理论与实验基础。

图1：石墨的X射线衍射图谱及压力-温度相图。a图为20 GPa、1300 °C条件下合成的块体六方金刚石的同步辐射X射线衍射（λ=0.6888 Å）图谱，分别沿径向与轴向进行数据收集，同时给出了高度取向热解石墨前驱体的衍射图谱作为对照，底部垂直条代表立方金刚石与六方金刚石的计算衍射位置。b图为石墨的压力-温度相图，红色符号对应本研究中制备的不同样品；半填充方块、空心六边形及空心三角形分别表示含六方金刚石的混合相、纯六方金刚石及纯立方金刚石。