《中国科学报》2026年3月18日 第3版

比钻石还硬！郑州大学团队成功合成毫米级六方金刚石

近日，郑州大学物理学院金刚石材料与器件团队在超硬材料研究领域取得重大突破。该团队成功合成出毫米级尺寸的纯相六方金刚石块材，并精确解析了其晶体结构，揭示了全新的相变机制。相关研究成果于3月5日在线发表在国际顶尖期刊《自然》杂志上。

群雄逐鹿，求解六方金刚石合成难题

金刚石凭借其极高的硬度、优异的热导率和最快的声传输速度，被誉为“工业牙齿”和“终极半导体”，在磨具磨料、珠宝首饰、散热材料及未来半导体等领域具有广阔的应用前景。

传统金刚石为立方晶系结构。64年前，研究者从理论上预测了六方晶系金刚石的存在。1967年，科学家在陨石中发现了这种六方结构的碳同素异形体，即六方金刚石，又称“朗斯代尔石”或“陨石钻石”。其独特的原子堆垛方式使其硬度理论上超越立方金刚石，引发了学界的广泛关注。

“金刚石是自然界最硬的物质，通常大家熟知的是立方金刚石，而我们如今合成出的六方金刚石硬度更高。”论文第一作者、郑州大学物理学院教授杨西贵介绍，碳原子共有三种杂化轨道类型，其中sp3家族目前仅有立方金刚石被广泛应用。团队猜测，一定还有其他家族成员未被确认，而六方金刚石的可能性最大。

自2021年起，郑州大学金刚石材料与器件团队便开启了六方金刚石的合成研究。2025年，就在团队即将宣告成功、论文在《自然》审稿返修之际，吉林大学和北京高压科学研究中心的科研团队也先后独立合成出六方金刚石并发表论文。“相当于近几年来，三个独立研究组在求解同一个问题，但在发表前我们互相并不知情。”杨西贵说。

开发新技术，迫使六方金刚石“现身”

从研究启动到最终发表，整整历时5年。天然六方金刚石形成于陨石撞击产生的极端条件，过程短暂且概率极低，仅以纳米级颗粒嵌在陨石中，极难分离。且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，六方金刚石是否能独立稳定存在，长期以来争议不断。

研究团队要做的，一是利用外界条件“逼迫”六方金刚石现身，二是找到其独有特征以精准区分二者。团队决定从技术路线突破，以高定向热解石墨为原料，精准控制压力与温度，开发出大腔体单轴高压技术，诱导石墨中的碳原子重组成六方金刚石。

“这相当于在原子尺度上‘捏橡皮泥’，压力相当于20万个标准大气压，还要在1300摄氏度高温下进行。”杨西贵解释，在这一技术加持下，高定向热解石墨中的碳原子实现受限滑移，最终构成了六方金刚石独特的堆叠结构。

合成单晶，做大尺寸

由于六方金刚石与立方金刚石的原子结构高度相似，确认其身份成为关键。本文共同通讯作者之一、郑州大学物理学院教授程少博介绍，团队利用同步辐射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手段，系统解析了六方金刚石的晶体结构与成键特征，获得了清晰的原子级分辨图像。这相当于找到了它的独特“指纹”，无疑地确认了它的身份。

六方金刚石独特的六方晶体对称性，使其能更有效地抵御剪切破坏。理论预测显示，其硬度比立方金刚石高58%。后续性能测试表明，团队制备出的六方金刚石维氏硬度和剪切模量均优于传统立方金刚石。

这意味着，一种预期性能更为极致的超硬材料，终于走出了理论预测和陨石传说，成为人类可制备和研究的实体。审稿人评价该研究“极具说服力、呈现了更完整的研究全貌、解决了六方金刚石存在性的长期争议”。

“未来，我们一方面希望优化合成技术制备出单晶，另一方面希望将样品尺寸做大，推动其在多个领域的实际应用。”本文共同通讯作者之一、郑州大学物理学院教授单崇新说。

相关论文信息：https://www.nature.com/articles/s41586-026-10212-4

合成的六方金刚石的晶体结构、X射线衍射和原子级分辨图像 采访对象供图