IT之家 2 月 12 日消息，IT之家從吉林大學(xué)微信公眾號(hào)獲悉，2 月 10 日，吉林大學(xué)高壓與超硬材料全國(guó)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室、綜合極端條件高壓科學(xué)中心劉冰冰教授、姚明光教授團(tuán)隊(duì)聯(lián)合中山大學(xué)朱升財(cái)教授等取得了重大突破，在 Nature Materials 上發(fā)表題為“General Approach for Synthesizing Hexagonal Diamond by Heating Post-Graphite Phases”的最新研究論文，發(fā)現(xiàn)了高溫高壓下石墨經(jīng)由后石墨相形成六方金剛石的全新路徑，并“首次”合成出高質(zhì)量六方金剛石塊材，發(fā)現(xiàn)其具有高出立方金剛石的極高硬度和良好的熱穩(wěn)定性。該成果不僅提供了一種純相六方金剛石人工合成的有效途徑，給出了其獨(dú)立存在的有力證據(jù)，也為超硬材料和新型碳材料添加了性能更為優(yōu)異的新成員，為突破立方金剛石的應(yīng)用局限提供了可能。該成果對(duì)深入了解隕石中鉆石的具體來(lái)源和重大地質(zhì)事件也有著重要意義。
鉆石，即金剛石，可由碳原子在地殼深處經(jīng)受巨大壓力而天然形成，硬度極高，通常具有立方結(jié)構(gòu)，因?qū)崿F(xiàn)了人工合成而在眾多領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用，是最鋒利的“工業(yè)牙齒”和國(guó)家戰(zhàn)略物資。半個(gè)世紀(jì)前，另外一種共生于隕石中的“超級(jí)鉆石”被發(fā)現(xiàn)，這種珍稀的、具有六方晶體結(jié)構(gòu)的“隕石鉆石”因其更為堅(jiān)硬而備受關(guān)注，然而，人工合成純相六方金剛石卻是長(zhǎng)期未能攻破的科學(xué)難題。
金剛石不僅是人們喜愛的寶石，更是集極高硬度、極耐磨、極高熱導(dǎo)率、極寬禁帶等優(yōu)異性能于一體的重要前沿戰(zhàn)略材料，被稱為“最鋒利的工業(yè)牙齒”和“國(guó)家戰(zhàn)略物資”，立方金剛石已經(jīng)在精密加工、資源開采、信息通訊以及“深空、深地、深?！睒O端環(huán)境等國(guó)家重大需求領(lǐng)域發(fā)揮了重要作用。六方金剛石首次被發(fā)現(xiàn)是在美國(guó)亞利桑那州的魔谷隕石中（1967 年），這種罕見而珍貴的鉆石也因此被稱為“隕石鉆石”，普遍認(rèn)為是石墨在隕石撞擊地球形成的高溫高壓條件下轉(zhuǎn)變而成的，理論預(yù)測(cè)它比立方金剛石還堅(jiān)硬。但由于隕石快速?zèng)_擊時(shí)間短，六方鉆石形成的條件極為苛刻，只有納米大小，且與隕石共生，因此，六方鉆石能否獨(dú)立存在一直存在爭(zhēng)議，實(shí)現(xiàn)純相的人工合成極具挑戰(zhàn)。最大的難點(diǎn)是高溫高壓下六方金剛石的形成能壘高于立方金剛石，高溫高壓產(chǎn)物往往以立方金剛石為主，難以形成六方金剛石，因此，雖然經(jīng)過(guò)半個(gè)多世紀(jì)的努力，純相六方金剛石的人工合成一直未能實(shí)現(xiàn)。
研究團(tuán)隊(duì)長(zhǎng)期從事超高壓下碳及相關(guān)材料的實(shí)驗(yàn)研究，發(fā)現(xiàn)了多種常壓下難以得到的新結(jié)構(gòu)和新性質(zhì)（Nature 2021, 599, 599; Science 2012, 337, 825）。團(tuán)隊(duì)在前期研究剪切力對(duì)石墨高壓下結(jié)構(gòu)變化影響中，提出了一種石墨到立方金剛石轉(zhuǎn)變的新機(jī)制，發(fā)現(xiàn) sp3 碳高壓相結(jié)構(gòu)的形成是重要因素（Phys. Rev. Lett., 2020, 124, 065701），這一結(jié)果啟發(fā)團(tuán)隊(duì)在探索六方金剛石的人工合成時(shí)，高壓相結(jié)構(gòu)很可能是關(guān)鍵?？紤]到隕石鉆石形成中，不僅有超高壓還有高溫條件，為此，團(tuán)隊(duì)巧妙設(shè)計(jì)了高溫高壓實(shí)驗(yàn)，首先利用激光加溫金剛石對(duì)頂砧技術(shù)原位研究了石墨在 50GPa 超高壓高溫下的結(jié)構(gòu)變化規(guī)律，發(fā)現(xiàn)石墨在高壓力區(qū)間會(huì)形成“后石墨相”高壓結(jié)構(gòu)，再通過(guò)局部加熱成功獲得了六方金剛石（圖 1）。研究團(tuán)隊(duì)進(jìn)一步結(jié)合大尺度分子動(dòng)力學(xué)理論模擬，揭示出石墨層堆疊構(gòu)型對(duì)形成六方金剛石結(jié)構(gòu)的關(guān)鍵作用，證實(shí)了石墨經(jīng)由后石墨相形成六方金剛石的全新路徑（圖 2）。
研究團(tuán)隊(duì)長(zhǎng)期自主研發(fā)大腔體超高壓實(shí)驗(yàn)技術(shù)，針對(duì)大腔體壓機(jī)腔體尺寸與壓力極限矛盾關(guān)系這一國(guó)際性難題，開發(fā)了系列新型國(guó)產(chǎn)碳化鎢壓砧以及超高壓組裝體，在高溫下實(shí)現(xiàn)了 40GPa 超高壓，將原有的壓力極限提升 60%，為高溫高壓材料宏量制備提供了技術(shù)支撐（Engineering, 2025,DOI: 10.1016 / j.eng.2023.03.023；Chin. Phys. Lett., 2020, 37, 080701）。針對(duì)六方金剛石塊體的高壓合成，在超高壓組裝體中巧妙地引入熱導(dǎo)率不同的高硬度材料，高壓下產(chǎn)生溫度梯度，模擬金剛石對(duì)頂砧原位實(shí)驗(yàn)中的高溫高壓條件，在 30 GPa、1400 ℃的條件下，成功制備出毫米級(jí)高取向六方金剛石塊材（圖 3）。發(fā)現(xiàn)了六方金剛石具有出色的物理性質(zhì)，硬度高達(dá) 155 ± 9GPa，超過(guò)天然金剛石的 40% 以上，真空環(huán)境下其熱穩(wěn)定性可以達(dá)到 1100 ℃，優(yōu)于納米金剛石的 900 ℃。
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