每經(jing)編輯｜杜宇

人造(zao)金剛石領域再迎技術重大(da)突破(po)。

吉林大學微信公(gong)眾號2月(yue)11日(ri)發文(wen)稱(cheng)，已(yi)發現(xian)了(le)高溫(wen)高壓下(xia)石(shi)(shi)墨(mo)經由后石(shi)(shi)墨(mo)相形成六方(fang)(fang)金(jin)剛(gang)石(shi)(shi)的全新路徑，并(bing)“首次”合成出高質量六方(fang)(fang)金(jin)剛(gang)石(shi)(shi)塊材。該成果(guo)不僅提供了(le)一種純相六方(fang)(fang)金(jin)剛(gang)石(shi)(shi)人工合成的有效(xiao)途徑，給出了(le)其獨立(li)存在的有力證據，為(wei)突破立(li)方(fang)(fang)金(jin)剛(gang)石(shi)(shi)的應用局限提供了(le)可(ke)能。

圖片來源：吉林大學微信公眾號

2月10日，吉林大學高壓與超硬材料全國重點實驗室、綜合極端條件高壓科學中心劉冰冰教授、姚明光教授團隊聯合中山大學朱升財教授等取得了重大突破，在Nature Materials上發表題為“General Approach for Synthesizing Hexagonal Diamond by Heating Post-Graphite Phases”的最新研究論文，發現了高溫高壓下石墨經由后石墨相形成六方金剛石的全新路徑，并“首次”合成出高質量六方金剛石塊材，發現其具有高出立方金剛石的極高硬度和良好的熱穩定性。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，給出了其獨立存在的有力證據，也為超硬材料和新型碳材料添加了性能更為優異的新成員，為突破立方金剛石的應用局限提供了可能。該成果對深入了解隕石中鉆石的具體來源和重大地質事件也有著重要意義。

金剛(gang)石不僅是(shi)人們(men)喜愛的寶石，更是(shi)集極高硬度、極耐(nai)磨、極高熱(re)導率、極寬禁帶等優異性能于一(yi)體的重要前沿戰(zhan)(zhan)略材料，被(bei)稱為“最鋒利的工業牙齒”和“國(guo)家(jia)戰(zhan)(zhan)略物(wu)資”，立方金剛(gang)石已經在精密加工、資源開采、信息通訊以及“深空、深地、深海”極端環境等國(guo)家(jia)重大需求領域發揮了重要作(zuo)用。

六(liu)方(fang)金剛(gang)石(shi)(shi)(shi)首(shou)次被(bei)發現(xian)是(shi)在美國亞利(li)桑那州的(de)(de)魔谷隕(yun)石(shi)(shi)(shi)中（1967年），這種罕見(jian)而(er)珍貴的(de)(de)鉆(zhan)石(shi)(shi)(shi)也因此被(bei)稱為“隕(yun)石(shi)(shi)(shi)鉆(zhan)石(shi)(shi)(shi)”，普遍認為是(shi)石(shi)(shi)(shi)墨在隕(yun)石(shi)(shi)(shi)撞擊地球形成(cheng)的(de)(de)高溫高壓條(tiao)件下轉(zhuan)變而(er)成(cheng)的(de)(de)，理論預測(ce)它比立(li)方(fang)金剛(gang)石(shi)(shi)(shi)還(huan)堅硬(ying)。但(dan)由于隕(yun)石(shi)(shi)(shi)快速沖擊時間(jian)短，六(liu)方(fang)鉆(zhan)石(shi)(shi)(shi)形成(cheng)的(de)(de)條(tiao)件極為苛刻，只有(you)納米大(da)小(xiao)，且與(yu)隕(yun)石(shi)(shi)(shi)共生，因此，六(liu)方(fang)鉆(zhan)石(shi)(shi)(shi)能否獨立(li)存在一直存在爭(zheng)議，實(shi)現(xian)純相的(de)(de)人工合(he)成(cheng)極具挑(tiao)戰。

最大的難點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，雖然經過半個多世紀的努力，純相六方金剛石的人工合成一直未能實現。

超高(gao)壓高(gao)溫下獲得的(de)純相六方金剛(gang)石光學(xue)照片與(yu)透射電鏡照片（圖片來源(yuan)：吉林大學(xue)微(wei)信公眾號）

研究團隊長期從事超高壓下碳及相關材料的實驗研究，發現了多種常壓下難以得到的新結構和新性質（Nature 2021,599,599;Science 2012,337,825）。團隊在前期研究剪切力對石墨高壓下結構變化影響中，提出了一種石墨到立方金剛石轉變的新機制，發現sp3碳高壓相結構的形成是重要因素（Phys.Rev.Lett.,2020,124,065701），這一結果啟發團隊在探索六方金剛石的人工合成時，高壓相結構很可能是關鍵。

考慮到(dao)隕石(shi)(shi)鉆(zhan)石(shi)(shi)形(xing)(xing)成中，不僅有(you)超(chao)高(gao)(gao)(gao)壓還有(you)高(gao)(gao)(gao)溫(wen)條件，為此，團(tuan)隊巧妙設計了(le)高(gao)(gao)(gao)溫(wen)高(gao)(gao)(gao)壓實驗，首先利(li)用(yong)激(ji)光(guang)加(jia)溫(wen)金(jin)剛石(shi)(shi)對頂砧技術原位研(yan)究了(le)石(shi)(shi)墨在50GPa超(chao)高(gao)(gao)(gao)壓高(gao)(gao)(gao)溫(wen)下的結(jie)構(gou)變化規律(lv)，發(fa)現石(shi)(shi)墨在高(gao)(gao)(gao)壓力區間會形(xing)(xing)成“后石(shi)(shi)墨相(xiang)(xiang)”高(gao)(gao)(gao)壓結(jie)構(gou)，再通(tong)過局部(bu)加(jia)熱成功(gong)獲得了(le)六方金(jin)剛石(shi)(shi)。研(yan)究團(tuan)隊進(jin)一步結(jie)合大尺度分子動力學(xue)理(li)論模擬，揭示出石(shi)(shi)墨層(ceng)堆疊構(gou)型對形(xing)(xing)成六方金(jin)剛石(shi)(shi)結(jie)構(gou)的關鍵作(zuo)用(yong)，證實了(le)石(shi)(shi)墨經(jing)由(you)后石(shi)(shi)墨相(xiang)(xiang)形(xing)(xing)成六方金(jin)剛石(shi)(shi)的全新路徑。

石墨經由后石墨相向六方金剛石結構轉變的動力學模擬及其與實驗電鏡對比照片 （圖片來源(yuan)：吉林大學(xue)微信公眾號）

研究(jiu)團隊長(chang)期(qi)自主研發(fa)(fa)(fa)大腔體(ti)(ti)超(chao)(chao)高(gao)(gao)壓(ya)(ya)(ya)實驗技術，針(zhen)對大腔體(ti)(ti)壓(ya)(ya)(ya)機腔體(ti)(ti)尺寸與壓(ya)(ya)(ya)力(li)(li)極(ji)限矛盾關系這一國際(ji)性(xing)難題，開發(fa)(fa)(fa)了(le)(le)(le)系列新(xin)型國產碳化鎢壓(ya)(ya)(ya)砧以(yi)(yi)(yi)及(ji)超(chao)(chao)高(gao)(gao)壓(ya)(ya)(ya)組裝體(ti)(ti)，在高(gao)(gao)溫(wen)(wen)下(xia)(xia)(xia)實現(xian)了(le)(le)(le)40GPa超(chao)(chao)高(gao)(gao)壓(ya)(ya)(ya)，將原(yuan)有(you)的(de)壓(ya)(ya)(ya)力(li)(li)極(ji)限提升60%，為高(gao)(gao)溫(wen)(wen)高(gao)(gao)壓(ya)(ya)(ya)材(cai)(cai)料宏量(liang)制(zhi)備(bei)提供了(le)(le)(le)技術支(zhi)撐(cheng)（Engineering, 2025,DOI: 10.1016/j.eng.2023.03.023；Chin. Phys. Lett., 2020, 37, 080701）。針(zhen)對六方金剛石(shi)(shi)塊(kuai)(kuai)體(ti)(ti)的(de)高(gao)(gao)壓(ya)(ya)(ya)合(he)成(cheng)，在超(chao)(chao)高(gao)(gao)壓(ya)(ya)(ya)組裝體(ti)(ti)中(zhong)巧妙地(di)引入熱(re)導率(lv)不同的(de)高(gao)(gao)硬度(du)材(cai)(cai)料，高(gao)(gao)壓(ya)(ya)(ya)下(xia)(xia)(xia)產生溫(wen)(wen)度(du)梯度(du)，模擬金剛石(shi)(shi)對頂砧原(yuan)位實驗中(zhong)的(de)高(gao)(gao)溫(wen)(wen)高(gao)(gao)壓(ya)(ya)(ya)條件(jian)，在30 GPa、1400 ℃的(de)條件(jian)下(xia)(xia)(xia)，成(cheng)功制(zhi)備(bei)出(chu)毫米(mi)級(ji)高(gao)(gao)取向六方金剛石(shi)(shi)塊(kuai)(kuai)材(cai)(cai)。發(fa)(fa)(fa)現(xian)了(le)(le)(le)六方金剛石(shi)(shi)具(ju)有(you)出(chu)色的(de)物理性(xing)質(zhi)，硬度(du)高(gao)(gao)達155 ± 9GPa，超(chao)(chao)過天然金剛石(shi)(shi)的(de)40%以(yi)(yi)(yi)上，真空環境下(xia)(xia)(xia)其熱(re)穩定性(xing)可(ke)以(yi)(yi)(yi)達到(dao)1100 ℃，優于納米(mi)金剛石(shi)(shi)的(de)900 ℃。

高取向六方金剛石塊材的透射電鏡照片、XRD以及維氏硬度測試 （圖片來源：吉林大學微信(xin)公眾號）

該研究成果的第一完成單位為吉林大學高壓與超硬材料全國重點實驗室和綜合極端條件高壓科學中心，論文第一作者為陳德斯博士、共同一作為陳顧文博士（中山大學）。劉冰冰教授、董家君研究員、朱升財教授（中山大學）和姚明光教授為論文共同通訊作者，與瑞典于默奧大學B. Sundqvist教授、吉林大學電子顯微鏡中心張偉教授以及上海同步輻射光源的何丙辰研究員等共同合作完成。該工作得到了國家基金委項目和國家重點研發計劃項目的資助。

近年來，我國人造金剛石領域的技術突破頻出。

據上海證券報，2024年12月，北京(jing)大學(xue)東莞光(guang)電研究(jiu)院(yuan)發布最新研究(jiu)成果，該院(yuan)與南方科技大學(xue)、香港大學(xue)組(zu)成的聯合研究(jiu)團隊，在(zai)金(jin)剛石(shi)薄(bo)(bo)膜(mo)(mo)材料(liao)制備(bei)和應用方面取得重(zhong)要(yao)進展，成功開(kai)發出能夠批量生產大尺寸超光(guang)滑柔性(xing)金(jin)剛石(shi)薄(bo)(bo)膜(mo)(mo)的制備(bei)方法(fa)。這被視為在(zai)金(jin)剛石(shi)薄(bo)(bo)膜(mo)(mo)技術領域的一大飛(fei)躍，為未來(lai)金(jin)剛石(shi)薄(bo)(bo)膜(mo)(mo)在(zai)電子(zi)、光(guang)學(xue)等(deng)多個領域的應用提供了(le)新的可能性(xing)。

今年2月10日，寧波大(da)學(xue)物理科(ke)學(xue)與技術學(xue)院潘益龍研究(jiu)(jiu)員聯合(he)(he)燕山大(da)學(xue)高(gao)壓(ya)科(ke)學(xue)中心田永君院士團隊及南京(jing)理工(gong)大(da)學(xue)研究(jiu)(jiu)人員，成功合(he)(he)成出硬(ying)度達(da)276GPa的超細納米孿晶金剛石塊材，再(zai)度刷新材料硬(ying)度紀(ji)錄(lu)。

“金(jin)剛(gang)石領域技(ji)術持續(xu)突破，不僅展示了(le)其在材(cai)料科學中的重(zhong)要(yao)性，也(ye)為未來在電子信息、航空(kong)航天(tian)等領域應用開(kai)辟了(le)新的可能。”國(guo)(guo)家超硬材(cai)料產(chan)業基地首席專家、中國(guo)(guo)機(ji)械(xie)工程學會(hui)金(jin)剛(gang)石及制品分會(hui)名譽理(li)事長(chang)王(wang)秦生介紹，我(wo)國(guo)(guo)是(shi)人造(zao)金(jin)剛(gang)石主要(yao)生產(chan)國(guo)(guo)，人造(zao)金(jin)剛(gang)石產(chan)量占全球總(zong)產(chan)量90%以(yi)上。技(ji)術層面，我(wo)國(guo)(guo)自主研發的六面頂(ding)壓機(ji)及整(zheng)套生產(chan)技(ji)術，更是(shi)國(guo)(guo)際領先。

對(dui)于(yu)近期業內不斷涌現的新技術，王秦生也表示(shi)，目前人造金剛石的制(zhi)(zhi)備方法主要為高溫高壓法（HTHP）和化(hua)學氣相沉積(ji)法（CVD），其他新方法的產業化(hua)仍面(mian)臨(lin)技術成熟(shu)度(du)、設備材(cai)料匹配度(du)以及成本控制(zhi)(zhi)等難(nan)題(ti)。

每日經(jing)濟新聞綜合上(shang)海證券報、吉(ji)林大學微信公眾號(hao)

封面圖片來源：吉林大學微信(xin)公(gong)眾號