“通常來(lái)講，我們認(rèn)為立方金剛石是最硬的材料，但六方金剛石比它的硬度更高。”北京高壓科學(xué)研究中心主任楊文革告訴記者，前不久，其團(tuán)隊(duì)聯(lián)合中國(guó)科學(xué)院西安光學(xué)精密機(jī)械研究所羅端團(tuán)隊(duì)，首次在國(guó)際上成功合成百微米至毫米級(jí)、結(jié)構(gòu)有序、高純度的“超級(jí)鉆石”——六方金剛石塊體樣品，相關(guān)論文發(fā)表于《自然》。

　　此研究證實(shí)，六方金剛石是立方金剛石的六方對(duì)應(yīng)物。研究人員通過(guò)實(shí)驗(yàn)并使用多種表征方式驗(yàn)證了六方金剛石的存在，完整描述了其晶體結(jié)構(gòu)、電子結(jié)構(gòu)、應(yīng)力學(xué)性質(zhì)和光學(xué)透明性等各種特性。這終結(jié)了學(xué)界60多年來(lái)關(guān)于六方金剛石是否作為真實(shí)礦物存在的爭(zhēng)議。

　　從理論走向?qū)嶒?yàn)室

　　立方金剛石是碳材料，它的獨(dú)特電子結(jié)構(gòu)叫做SP3，其碳原子之間以1.54埃的鍵長(zhǎng)和109.5°的鍵角相互結(jié)合，形成完美的四面體結(jié)構(gòu)。這種單一類型的鍵合在二維方向上無(wú)限延伸，形成褶皺的蜂窩狀碳層，而這些層在三維方向上以相同的1.54埃鍵長(zhǎng)堆疊�！斑@種碳原子結(jié)構(gòu)單元決定了金剛石的硬度和其他極端特性，但其層間的鍵合相對(duì)較弱，從而限制了金剛石的整體強(qiáng)度。”楊文革介紹，六方金剛石也以SP3碳原子結(jié)構(gòu)單元為構(gòu)成基礎(chǔ)，但其層間鍵高度被大量縮短，層和層之間的作用力更強(qiáng)，意味著其硬度更高。

　　此前，地質(zhì)學(xué)家凱瑟琳·朗斯代爾在迪亞布洛峽谷鐵隕石中發(fā)現(xiàn)了天然的六方金剛石，但那時(shí)候科學(xué)家只能借助X光衍射觀察到六方金剛石的粉晶混合體。數(shù)十年來(lái)，科學(xué)家曾通過(guò)模擬隕石撞擊地球時(shí)產(chǎn)生高溫高壓快速形變條件的動(dòng)態(tài)爆炸和類似深海條件下的靜態(tài)壓縮等方式，探測(cè)研究六方金剛石的形成機(jī)制。

　　“之前，從未有科學(xué)家發(fā)現(xiàn)超過(guò)幾個(gè)原子層厚度的塊狀六方金剛石，這導(dǎo)致很長(zhǎng)一段時(shí)間里，六方金剛石充滿爭(zhēng)議。它是否只能夾雜在立方金剛石里，而非一種獨(dú)立的新材料？它是否只是石墨演變成金剛石的中間過(guò)渡相？它是否只是在某種沖擊波極端條件下才能形成的微量物質(zhì)？學(xué)界甚至對(duì)其作為一種真實(shí)物相的存在產(chǎn)生懷疑�！睏钗母镎f(shuō)。

　　　全面“掃描”合成過(guò)程

　　“我們首次通過(guò)高壓原位觀測(cè)到石墨轉(zhuǎn)變?yōu)榱�方金剛石的過(guò)程，為之后穩(wěn)定合成塊狀六方金剛石打下了基礎(chǔ)�！闭撐牡谝蛔髡邨盍繇懸贿呄蛴浾哒故疽粔K1毫米的“黑鹽�！保�一邊說(shuō)�？茖W(xué)家此前也曾嘗試合成過(guò)六方金剛石，但相關(guān)樣品包含不同比例的立方金剛石、無(wú)定形碳或殘留石墨，因此無(wú)法從這種多相混合物中確定六方金剛石是否獨(dú)立存在，更無(wú)法詳細(xì)分析其硬度及其他物理、化學(xué)性質(zhì)�！澳壳拔覀兒铣傻牧�方金剛石純度為99%�！彼�說(shuō)。

　　本次研究使用金剛石對(duì)頂砧和大體積壓機(jī)，在準(zhǔn)靜水壓高壓條件下，以單晶石墨為起始材料進(jìn)行壓縮和加熱。具體實(shí)驗(yàn)中，團(tuán)隊(duì)采用高壓原位同步輻射實(shí)驗(yàn)，實(shí)時(shí)觀測(cè)單晶石墨的演變過(guò)程。在經(jīng)過(guò)長(zhǎng)達(dá)8年之久、40多次反復(fù)試驗(yàn)之后，研究人員最終發(fā)現(xiàn)，單晶石墨在高壓力區(qū)間會(huì)形成“后石墨相”高壓結(jié)構(gòu)，隨后通過(guò)局部加熱可成功合成六方金剛石�！拔覀�?cè)跇悠吩�位上改變壓力和溫度，用X光衍射同步觀測(cè)石墨晶體生長(zhǎng)情況。這相當(dāng)于對(duì)演變過(guò)程做了全面‘掃描’，改變了以往抽彩票式設(shè)置壓力及溫度參數(shù)的方式，以及單次參數(shù)設(shè)定后做完實(shí)驗(yàn)再拿出來(lái)看樣品情況的思路�！睏钗母镎f(shuō)。

　　與此同時(shí)，研究團(tuán)隊(duì)結(jié)合大尺度分子動(dòng)力學(xué)理論模擬，揭示了石墨層堆疊構(gòu)型對(duì)形成六方金剛石結(jié)構(gòu)的關(guān)鍵性作用。這一發(fā)現(xiàn)證實(shí)了石墨經(jīng)由“后石墨相”形成六方金剛石的相變路徑�！拔覀冞�進(jìn)一步通過(guò)X光衍射、高分辨率透射電子顯微鏡、X射線拉曼光譜、電子能量損失譜、紫外拉曼光譜和維氏硬度測(cè)量等，反復(fù)研究驗(yàn)證六方金剛石的存在。”楊留響說(shuō)。

　　　拓展新應(yīng)用空間

　　實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)顯示，合成的六方金剛石褶皺蜂窩層之間的鍵合更短且更強(qiáng)，其硬度高達(dá)155千兆帕斯卡(GPa)，約比天然金剛石高40%。此外，在真空環(huán)境下，其熱穩(wěn)定性可達(dá)1100℃，明顯優(yōu)于立方金剛石的900℃表現(xiàn)。

　　六方金剛石的這些特征為超硬材料的制備開(kāi)辟了新的技術(shù)方向，在工業(yè)應(yīng)用中展現(xiàn)出巨大潛力。“未來(lái)我們將進(jìn)一步探索六方金剛石和立方金剛石更多的具體性差異。”上述論文通訊作者之一、中國(guó)科學(xué)院外籍院士毛河光說(shuō)，目前金剛石在磨料、鉆井、硅片制備等方面有廣泛應(yīng)用，隨著六方金剛石純度的進(jìn)一步提高以及合成體積的增大，將為各類極端環(huán)境條件下的材料選擇提供更多可能。

　　目前，該研究團(tuán)隊(duì)也在與國(guó)內(nèi)外團(tuán)隊(duì)合作，試圖通過(guò)摻雜實(shí)驗(yàn)，得到六方金剛石內(nèi)的NV色心，希望將六方金剛石引入量子點(diǎn)的測(cè)量和磁性檢測(cè)領(lǐng)域，解鎖其更多性質(zhì)特征，挖掘六方金剛石作為潛在優(yōu)良技術(shù)材料的路徑。

　　“立方金剛石像一個(gè)立方塊、一個(gè)魔方，某種程度上，對(duì)六方金剛石鍵合特征的揭秘打開(kāi)了金剛石家族的‘魔盒’。將來(lái)，通過(guò)控制鍵合的長(zhǎng)度，把‘魔方’拉高、壓低、扭轉(zhuǎn)，可能會(huì)創(chuàng)造更多不同硬度的金剛石成員�！睏钗母镎f(shuō)。