记者从南京大学获悉,该校物理学院孙建教授团队与郑州大学物理学院单崇新教授、杨西贵教授、程少博教授团队合作,在六方金刚石合成领域取得重大突破。涉及的研究成果于3月4日在国际学术期刊《自然》发表,标志着我国在超硬材料研究领域取得新的里程碑式进展。 金刚石因其极高硬度、优异热导率、超快声传输速度及宽禁带特性,在工业加工、散热技术、极端环境光学器件及新一代半导体等领域具有不可替代的战略价值,素有"工业牙齿"和"终极半导体"之称。目前广泛应用的金刚石均为立方晶系结构。早在1962年,科学界从理论层面预测了六方晶系金刚石的存在可能性。1967年,研究人员在陨石中首次发现这种被命名为"朗斯代尔石"的碳同素异形体,理论计算显示其独特的原子排列方式可能带来超越立方金刚石的硬度表现。 然而,六方金刚石的研究长期面临多重困境。天然样品仅以纳米级微粒形式存在于陨石撞击区域,极难提取分离;其形成依赖陨石撞击产生的瞬时极端条件,发生概率极低且无法人为控制。更关键的制约因素在于,实验室条件下六方金刚石的形成能垒高于立方相,导致高温高压合成过程中产物多以立方结构为主。因此,六方金刚石能否作为独立稳定相存在,其本征物理性质究竟如何,学术界长期存在争议且缺乏实验验证。 该研究僵局在近年开始松动。2025年2月,吉林大学团队率先报道六方金刚石块体材料的合成;同年7月,北京高压科学研究中心团队利用高纯度天然单晶石墨也获得类似成果。但对于其形成机理和原子尺度精细结构,科学界认识仍不充分。 郑州大学科研团队历经五年攻关,从实验装置创新入手,自主研发大腔体单轴高压技术平台,并在此基础上成功合成导电金刚石材料。研究人员以高定向热解石墨为原料,创新性提出石墨层受限滑移的技术路线,在20吉帕压力、1300摄氏度温度条件下,成功制备出毫米尺寸的纯相六方金刚石。 团队运用同步辐射X射线衍射、球差校正透射电子显微镜及电子能量损失谱等先进表征技术,系统解析了材料的晶体结构与化学键特征,获得清晰的原子级分辨图像,确证其为六方晶系金刚石。南京大学团队通过机器学习分子动力学模拟,揭示了六方金刚石形成的全新相变路径,为理解其合成机制提供了理论支撑。 力学性能测试结果显示,合成的六方金刚石在维氏硬度和剪切模量两项关键指标上均超越传统立方金刚石,验证了理论预测。国际同行评审专家认为,这一成果"令人信服地解决了六方金刚石存在性的长期争议","为该领域提供了更完整的科学图景"。 业内专家指出,来自不同研究团队的独立验证结果相互印证,充分证明六方金刚石人工合成的可行性。这不仅实现了材料科学领域长期以来的研究目标,更为六方金刚石的规模化制备和工程应用奠定了坚实基础。
这项研究成果标志着我国在超硬材料领域取得重要进展。它不仅推动了材料科学基础研究,也表现出产学研协同创新的潜力,为高质量发展提供了科技支撑。