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近日，鄭州大學(xué)金剛石材料與器件團(tuán)隊(duì)成功合成出純相六方金剛石塊材，并精確解析了其晶體結(jié)構(gòu)，揭示了全新的相變機(jī)制。相關(guān)研究成果以“Bulk hexagonal diamond”為題，于北京時間2026年3月5日在線發(fā)表在國際學(xué)術(shù)期刊《自然》（Nature）上。鄭州大學(xué)物理學(xué)院博士研究生來守龍、楊西貴教授和南京大學(xué)施九洋博士為該論文共同第一作者，鄭州大學(xué)單崇新教授、楊西貴教授、程少博教授以及南京大學(xué)孫建教授為論文共同通訊作者，鄭州大學(xué)為第一完成單位和通訊作者單位。

金剛石憑借其最高的硬度、優(yōu)異的熱導(dǎo)率、最快的聲傳輸速度、巨大的禁帶寬度、良好的生物兼容性等特點(diǎn)，在磨具磨料、珠寶首飾、散熱材料、極端環(huán)境光學(xué)元件及未來半導(dǎo)體等諸多領(lǐng)域中展現(xiàn)出廣闊的應(yīng)用前景，被譽(yù)為“工業(yè)牙齒”和“終極半導(dǎo)體”。傳統(tǒng)金剛石為立方晶系結(jié)構(gòu)，但1962年，研究者從理論上預(yù)測了六方晶系金剛石可能存在。隨后，1967年科學(xué)家在隕石中發(fā)現(xiàn)了一種六方結(jié)構(gòu)的碳同素異形體—六方金剛石，也稱為“朗斯代爾石”或“隕石鉆石”。理論進(jìn)一步預(yù)言，這種獨(dú)特的原子堆垛方式賦予其超越立方金剛石的硬度，因而引起了科研人員的廣泛關(guān)注。然而，天然六方金剛石僅以納米級顆粒嵌在隕石中，極難分離；其形成源于隕石撞擊所產(chǎn)生的極端條件，過程短暫且概率極低。更為關(guān)鍵的是，六方金剛石在實(shí)驗(yàn)條件下的形成能壘高于立方金剛石，導(dǎo)致高溫高壓合成產(chǎn)物多以立方相為主。因此，六方金剛石是否能夠獨(dú)立穩(wěn)定存在，長期以來一直存在爭議，而其本征物性也由于樣品尺寸過小，難以通過實(shí)驗(yàn)精確測量。這一研究困境直至2025年才取得重要突破：2月，吉林大學(xué)劉冰冰教授團(tuán)隊(duì)率先報道了六方金剛石塊材的合成；同年7月，北京高壓科學(xué)研究中心毛河光院士團(tuán)隊(duì)利用高純度天然單晶石墨也成功制備出六方金剛石。然而，目前對于六方金剛石的形成機(jī)制及其在原子尺度上的精細(xì)晶體結(jié)構(gòu)，仍缺乏清晰的認(rèn)識。

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合成的六方金剛石的晶體結(jié)構(gòu)、X射線衍射以及原子級分辨圖像

針對上述問題，鄭州大學(xué)金剛石材料與器件團(tuán)隊(duì)科研人員歷時五年潛心研究，從設(shè)備研制入手，開發(fā)出大腔體單軸高壓技術(shù)，并利用該技術(shù)合成出導(dǎo)電金剛石材料。在此基礎(chǔ)上，以高定向熱解石墨為前驅(qū)體，提出石墨層受限滑移的思路，在20 GPa，1300oC條件下成功制備出毫米尺寸純相六方金剛石。通過同步輻射X射線衍射、球差校正透射電子顯微鏡及電子能量損失譜等表征手段，系統(tǒng)解析了其晶體結(jié)構(gòu)與成鍵特征，獲得了清晰的原子級分辨圖像，證實(shí)了其為六方晶系金剛石。并與南京大學(xué)孫建教授合作，結(jié)合機(jī)器學(xué)習(xí)分子動力學(xué)模擬，揭示了六方金剛石的全新相變路徑。基于所獲得的六方金剛石材料，采用超聲波聲速、納米壓痕和維氏硬度等方法系統(tǒng)表征了其力學(xué)性能，結(jié)果表明其維氏硬度和剪切模量均優(yōu)于傳統(tǒng)的立方金剛石。

上述結(jié)果被審稿人評價為“truly convincing”,“provide a more complete picture”,“resolve a long-standing controversy on the existence of hexagonal diamond”等。這些來自不同獨(dú)立研究組的相互印證，進(jìn)一步證實(shí)了六方金剛石人工合成的可行性，不僅為實(shí)現(xiàn)長久以來人們合成六方金剛石的夙愿提供了明確方案和關(guān)鍵證據(jù)，也為六方相金剛石的規(guī)?；苽浼捌湮磥響?yīng)用開辟了路徑。

該工作得到了國家自然科學(xué)基金、河南省自然科學(xué)基金以及鄭州大學(xué)高層次人才經(jīng)費(fèi)等項(xiàng)目資助。

論文鏈接：https://www.nature.com/articles/s41586-026-10212-4

課題組簡介：

鄭州大學(xué)金剛石材料與器件團(tuán)隊(duì)主要依托河南省在金剛石超硬材料領(lǐng)域的產(chǎn)業(yè)優(yōu)勢，聚焦金剛石領(lǐng)域的前沿科學(xué)問題與共性關(guān)鍵技術(shù)開展研究。團(tuán)隊(duì)一方面探索金剛石領(lǐng)域國際學(xué)術(shù)前沿，另一方面努力推進(jìn)產(chǎn)學(xué)研結(jié)合，部分研究成果在上市公司實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)化。產(chǎn)學(xué)研合作結(jié)果曾受到中央電視臺、新華網(wǎng)、《光明日報》《中國科學(xué)報》等媒體報道。