在人们的普遍认知中，金刚石（即钻石）特指具有立方晶体结构的sp³型碳单质。然而鲜为人知的是，sp³碳家族中还存在着一种结构奇特的六方金刚石。作为碳元素sp³杂化的另一种同素异形体，理论研究表明，六方金刚石的机械性能将远超越传统立方金刚石，使其成为材料科学界竞相追逐的圣杯级超硬材料。遗憾的是，高纯度六方金刚石的合成面临极大的挑战，导致其宏观存在一直处于争议中。

近日，北京高压科学研究中心毛河光院士、杨文革研究员、杨留响研究员与中国科学院西安光机所罗端研究员带领的国际研究团队成功将高质量石墨单晶前驱体转化为百微米级、高度有序的六方金刚石，该成果已发表于国际期刊《自然》。

该研究表明，六方金刚石的力学性能可与立方金刚石相媲美，且与仅具有单一碳-碳键长的立方金刚石相比，六方金刚石呈现出两种不同的键长分布，且层间距显著缩短，这种独特的碳原子堆垛方式，将有效克服立方金刚石的密堆积面易滑移的弱点。

这一系统性研究不仅终结了60多年关于六方金刚石宏观存在的争议，更为接下来将六方金刚石作为新一代高性能功能材料的开发奠定了坚实基础。

左图为常见金刚石的碳原子结构排列，右图为六方金刚石的碳原子排列。

“ 普通金刚石的碳原子以相同的键长相连接。而我们合成的六方金刚石碳原子之间存在两种不同键长，四分之一的‘碳-碳’键更短更强，克服了金刚石密堆积面易滑移的弱点，具备更优越的硬度、韧性。” 杨文革研究员说。

杨留响研究员介绍，高纯度六方金刚石的合成，归功于两项关键技术：一是选择纯度高、无杂质的天然石墨单晶，有助于得到纯度更高、微米级大小、结构有序的六方金刚石样品；二是采用恰当的探测手段 - 研发人员给石墨晶体不断加压，并用高压原位X光观测样品变化，避免了密堆积面的滑移，最终制得纯净、未变形的六方金刚石块体。

“这项工作为下一步类金刚石材料研究奠定方法基础。六方金刚石更加出色的硬度、导热性、光学性能、量子特性等，也将为超硬材料和高端电子器件研发开辟新路径。” 高压物理学家、中科院外籍院士毛河光说。

高温高压合成的块体六方金刚石（左上：DAC中合成，左下：大腔体压机中合成）和六方及立方金刚石结构示意图。

图2：六方金刚石高分辨透射电镜，选区电子衍射(SAD)，及X射线拉曼，硬度测试图。

另外，无论金刚石对顶砧还是大腔体压机合成的六方金刚石相均可以保留到环境条件。硬度测试表明六方金刚石的硬度未达到理论预期值，但仍可媲美传统立方金刚石。"  这项研究远未结束，我们这次合成的六方金刚石样品是具有高度取向的类单晶体（三重孪晶），要实现六方金刚石的实际应用，我们仍需进一步优化合成工艺参数，特别是要突破大尺寸单晶制备的技术瓶颈。这一突破将有助于我们全面揭示六方金刚石的本征性能，并推动其未来在工业领域的实际应用。" 杨留响研究员表示。