六方金剛石（HD）具有比已知立方鉆石更優(yōu)越的預(yù)期物理性能，自誕生以來一直受到不懈的追求。然而，天然和合成的HD僅在其他納米碳結(jié)構(gòu)的脆弱、異質(zhì)混合物中作為高度無序的組分被保存下來，這阻礙了對塊狀性質(zhì)的測定和HD作為真正晶相的鑒定。

2025年7月30日，北京高壓科學(xué)研究中心毛河光、楊文革、中國科學(xué)院西安光學(xué)精密機(jī)械研究所羅端共同通訊在Nature在線發(fā)表題為“Synthesis of bulk hexagonal diamond”的研究論文，該研究報(bào)告了通過在受控的準(zhǔn)靜水壓條件下壓縮和加熱高質(zhì)量石墨單晶來合成、回收和廣泛表征塊狀HD。

該研究展示了100μm至mm尺寸、高度有序的塊狀HD的成功合成。觀察到石墨的直接轉(zhuǎn)變?（1010）朝向HD?（0002）和石墨?（0002）轉(zhuǎn)換為HD?(1010).大塊樣品由緊密編織的100 nm尺寸晶體的三重共生組成，主要是HD，帶有立方金剛石的微量缺陷。HD中的層間鍵相對于層內(nèi)鍵縮短，以優(yōu)化HD結(jié)構(gòu)。值得注意的是，HD的硬度僅略高于立方金剛石。純化前體石墨碳并微調(diào)高壓-溫度（P-T）合成條件可能會(huì)導(dǎo)致更高質(zhì)量的HDs。

鉆石具有無與倫比的硬度和其他極端性能，被認(rèn)為是從超硬磨料、散熱器、生物傳感器和量子計(jì)算到光子器件等應(yīng)用的理想材料。這些特性源于其獨(dú)特的sp3碳構(gòu)建塊，通過1.54鍵合在一起??鍵長和109.5°鍵角形成完美四面體。這種單一類型的粘合在二維空間中無限延伸，形成彎曲的蜂窩碳層，這些層以相同的1.54堆疊在一起??鍵在第三維形成立方金剛石晶體的（111）面。然而，這種結(jié)構(gòu)也有一個(gè)弱點(diǎn)。層之間的（111）鍵相對較弱，導(dǎo)致弱（111）解理面限制了金剛石的強(qiáng)度。相對于層內(nèi)鍵，選擇性地縮短和加強(qiáng)層間鍵會(huì)使立方金剛石的對稱性降低到六邊形。

HD是在60年前預(yù)測的，隨后通過動(dòng)態(tài)爆炸和靜態(tài)壓縮合成。盡管理論上預(yù)測HD的機(jī)械性能優(yōu)于立方金剛石，但所有先前已知的合成或天然HD樣品都是易碎的，HD與不同比例的立方金剛石、無定形碳或殘余石墨的細(xì)?；旌衔?。HD的硬度和其他物理、化學(xué)性質(zhì)無法從這種幾種相的混合物中描繪出來。

高壓高溫下石墨到HD的單晶相變及其外延晶體學(xué)關(guān)系（圖源自Nature）

在這里，研究人員報(bào)告了全面的高P-T研究，以確定HD作為真實(shí)相的存在，確定其與母體石墨的結(jié)構(gòu)關(guān)系，合成塊狀HD并測量其光學(xué)和機(jī)械性能。金剛石砧座單元（DAC）和多砧壓機(jī)都用于在準(zhǔn)靜壓高P條件下壓縮和加熱單晶六方石墨原料。通過XRD和顯微鏡觀察，在石墨轉(zhuǎn)化為HD的過程中，在高磷下原位監(jiān)測了前驅(qū)體-產(chǎn)物的晶體學(xué)關(guān)系。該研究證明HD確實(shí)是立方金剛石的六邊形對應(yīng)物，彎曲蜂窩層之間的結(jié)合縮短并得到加強(qiáng)。這些發(fā)現(xiàn)開啟了HD作為潛在優(yōu)越技術(shù)材料的新探索。

參考信息：

https://www.nature.com/articles/s41586-025-09343-x