中国粉体网讯 近日，北京高压科学研究中心与中国科学院西安光机所科学家带领的国际研究团队成功将高质量石墨单晶前驱体转化为百微米级、高度有序的六方金刚石，相关研究以“Synthesis of bulk hexagonal diamond”为题发表在《Nature》。
金刚石具有无与伦比的硬度、卓越的热传导性以及优异的光学特性，这些卓越性能源于其独特的晶体结构：由sp3杂化碳原子构成的完美四面体配位网络，这种结构虽然坚硬又耐磨，但也存在弱点：某些平面一旦受力，就容易错位滑移，限制其强度，而六方金刚石规避了这种问题。
六方金刚石是一种与立方金刚石结构相似但性能更为优异的同素异形体。但六方金刚石的形成条件极为苛刻，人工合成的最大难点是高温高压下六方金刚石的形成能量高于立方金刚石，因此高温高压产物通常以立方金刚石为主，难以得到六方金刚石。
我国科学家们创新性地提出了一种由石墨到六方金刚石转变的方法。通过采用金刚石对顶砧（DAC）技术，在可控高温高压（准静水压条件）下，成功将高质量石墨单晶前驱体转化为百微米级、高度有序的六方金刚石。团队借助原位单晶X射线衍射技术，首次精确揭示了石墨-六方金刚石相变过程中的晶体学取向关系，系统阐明了其相变机制，并确认了合成样品特有的三重孪晶结构。为实现六方金刚石力学性能的准确表征，团队进一步开发了大腔体压机合成工艺。通过优化固体传压介质组合，有效抑制了差应力效应，最终在20GPa/2073K的极限条件下，成功制备出毫米级六方金刚石块体样品。
高温高压合成的块体六方金刚石（左上：DAC中合成，左下：大腔体压机中合成）和六方及立方金刚石结构示意图，图源：北京高压科学研究中心官微
该研究创新性包括：
1.通过原位单晶X射线衍射技术，首次在原子尺度揭示了石墨向六方金刚石转变的晶体学路径，明确了其相变机制。
2.综合运用高分辨透射电子显微镜（HRTEM）、X射线拉曼光谱、电子能量损失谱（EELS）及紫外拉曼光谱等多尺度表征手段，确证了六方金刚石的sp3杂化特性，证实其与立方金刚石具有相同的化学键合方式，但键长呈现出双键长特征。
3.维氏硬度测试表明，六方金刚石展现出与立方金刚石相当的力学性能，为其在超硬材料领域的应用提供了直接证据。
六方金刚石表征
这一系统性研究不仅终结了60多年关于六方金刚石宏观存在的争议，也为接下来将六方金刚石作为新一代高性能功能材料的开发奠定了坚实基础。
参考来源：北京高压科学研究中心、材料科学与工程公众号、nature
（中国粉体网编辑整理/石语）
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