比钻石还硬！中国科学家合成六方金刚石

普通钻石（立方金刚石），例如订婚戒指上的钻石，具有立方晶体结构。朗斯代尔石，也称为六方金刚石，它与我们常见的普通钻石结构相似，但原子排列呈六方堆积。

1967 年，美国地质学家在美国亚利桑那州巴林杰陨石坑的“魔谷陨石”碎片中首次鉴别出这种矿物，并猜测是由于陨石撞击瞬间产生的极端高温和高压，把陨石里的石墨直接“压”成了这种特殊的结构。他们以 20 世纪的爱尔兰晶体学家和英国皇家学会凯瑟琳·朗斯代尔（Kathleen Lonsdale）命名这种矿物，因她使用 X 射线研究了碳的结构。

但在随后的几十年里，六方金刚石成了材料界的“幽灵”，它既让无数物理学家为之神往，也因难以捕捉的真身而饱受质疑。

许多科学家认为，所谓的六方金刚石根本不是一种独立的新材料，只是“长坏了的普通钻石”。他们认为那些所谓的六方结构特征，其实是普通钻石晶格里出现了大量孪晶和层错等缺陷导致的。

另外，虽然很多实验室声称合成了六方金刚石，但做出来的东西总是和普通立方金刚石混在一起，且尺寸极其微小（纳米级），这让怀疑论者更加确信：这不过是带有结构缺陷的碎钻而已。

近年来，随着实验技术的发展，六方金刚石的块体合成逐渐取得进展。2025 年初，吉林大学刘冰冰教授团队在 Nature Materials 报道了六方金刚石块材的实验制备；同年，北京高压科学研究中心毛河光院士团队在 Nature 发表了研究成果，他们利用高纯度天然单晶石墨，在高温高压条件下也成功获得了六方金刚石样品。

近日，来自郑州大学的单崇新、程少博、杨西贵等人联合南京大学孙建在 Nature 上发表了研究成果，他们成功合成了毫米级、纯相的六方金刚石。

图｜从左向右：程少博、单崇新、杨西贵、来守龙（来源：受访者提供）

“我们不仅做出了样品，还深入揭示了背后的调控机制：合成六方还是立方，关键在于如何通过单轴压力精确限制石墨层的滑移。”这项研究的共同通讯作者、郑州大学物理学教授杨西贵告诉 DeepTech。

抑制横向滑移，才能长出纯六方金刚石

六方金刚石与立方金刚石虽然均由碳元素组成，但在原子层面的堆叠结构上存在本质区别。立方金刚石采用的是 ABCABC... 三层重复的堆叠方式，形成正四面体结构；六方金刚石则是 ABAB... 两层重复的堆叠方式。

相对于稳定的立方金刚石，六方金刚石是一种亚稳相材料，其能量状态稍高一些。“碳原子也会像‘水往低处流’一样，倾向于排列成能量最低的立方结构。”杨西贵表示。陨石撞击之所以能保留六方结构，是因为极短的瞬态过程将其“冻结”了。

在尝试合成六方金刚石的过程中，商业化高温高压设备所提供的静水压（即各个方向压力均等）却成了最大的障碍。

实验发现，在静水压条件下，作为原料的石墨层会过早地发生横向折皱或滑移。一旦出现这种情况，无论后续如何精细地调控压力和温度参数，最终得到的产物几乎都是立方金刚石。即使偶尔有六方结构的迹象，也往往是作为少量混合相存在。“这又回到了之前提到的争议，很容易被认为是立方金刚石的缺陷，从而无法确证。”

为了解决这个问题，研究人员对设备的合成腔体内部进行了关键性的改装，使其能够在施加压力的过程中，将沿着石墨 c 轴方向的压力进行放大，同时相对削弱横向的压力。

这样一来，石墨层的横向滑移就被有效地抑制了。在这种定向增强的单轴压力引导下，碳原子只能沿着上下方向进行有序结合，按照 ABAB... 的方式堆叠起来，最终形成六方金刚石结构。而一旦横向滑移无法控制，原子就会按照 ABCABC... 的方式堆叠，那就又回到了立方金刚石。

“所以，合成六方金刚石是一个需要超高压、准单轴和温度三者之间达到极其苛刻的协同条件的过程。”

最终，研究团队以高定向热解石墨为原料，在高温高压装置中，通过沿石墨 c 轴施加定向单轴应力，精准锁定 20GPa、1300-1900℃ 的窄温压合成窗口，成功制备出直径约 1.5 毫米的块体六方金刚石。

精准验证六方金刚石真身

为了确证做出来的样品是纯相或者不是带有缺陷的普通钻石，研究团队构建了一个严密的证据闭环。

第一步，从宏观上定“身份”。利用同步辐射 X 射线衍射（XRD）极高的分辨率，在立方与六方金刚石重合的特征峰外，精确捕捉到四个关键的额外衍射峰。这些峰与理论模拟的六方结构完全吻合，从宏观尺度初步锁定了其六方身份。

图 | 在 20 GPa 和 1300 °C 下合成的块状六方金刚石的同步辐射 X 射线衍射图谱（来源：上述论文）

第二步，从微观上看“指纹”。通过球差校正透射电镜（AC-TEM）在原子尺度进行实时观测：在特定轴向清晰呈现六方结构特有的“ABAB”层序堆叠（而非立方的 ABCABC），并捕获到立方结构不具备的完美六角空心对称图案。这一原子级图像为六方晶格提供了最直接的微观证据。

第三步，确认成分与纯度。利用电子能量损失谱（EELS）分析碳原子成键状态。结果显示，所有碳原子的成键方式都是金刚石特征的 sp3 杂化键，未探测到任何石墨化或无定形碳的 sp2 信号，从化学键层面证实了材料的高纯度与一致性。

第四步，检验“性能”。通过硬度及模量测试，证实该材料的维氏硬度、剪切模量及杨氏模量均显著优于天然立方金刚石。卓越的力学指标不仅完成了从结构到性能的证据链闭环，更凸显了其作为超硬材料的实用价值。

图 | 块状六方金刚石的机械和热性能（来源：上述论文）

“最终，我们准确无误地得出结论，我们合成的，就是纯度极高、结构清晰的六方金刚石。这也正是审稿人给予我们高度评价的原因，他们认为我们‘首次提供了如此清晰的六方金刚石证据’。”杨西贵说道。

这份清晰证据的背后，是历时五年的漫长攻关。杨西贵回忆，过程可分为三个阶段：首先是前期技术攻关，将单轴压力设计引入商用设备；接着是漫长的工艺摸索，为了追求足以消除争议的绝对纯度，团队在温压参数的微调中耗费了大量精力；最后是严苛的审稿环节，从 2024 年 11 月投稿到 2026 年 3 月刊出，中间光是补证与修改就经历了一年半。“这是一个需要极大耐心和毅力的过程。”他感慨道。

从“更硬的刀”到“更好的芯”

测试表明，六方金刚石比传统钻石更坚硬，更耐氧化。但令人惊讶的是，它的硬度仅比普通钻石略高，而非早期理论预测的 近 60%。

“在真实的实验世界里，情况要复杂得多。没有一块实际合成的晶体是绝对完美的。在我们合成的块体材料中，不可避免地会存在一些微观层面的晶界、位错、点缺陷或者微小的内应力。这些因素都会在一定程度上影响材料宏观力学性能的表现。”杨西贵说道。

随着合成技术的精进，未来若能制备出更接近“理想单晶”的样品，其硬度有望进一步逼近理论极限。甚至，理论模型本身也在随认知而演进。“这是一个开放性的课题，”他表示，“当材料的纯度与尺寸不断突破，六方金刚石真正的物理上限才会被最终揭开。”

谈及下一步计划，杨西贵将其概括为“做大”与“做单”两方面，这不仅是尺寸的突破，更是应用维度的跨越。

首先是近期（5 年内）的“做大”计划，旨在将样品由毫米级推向厘米级，利用其超越普通钻石的硬度与热稳定性，将其应用于切削刀具、磨具等工业领域。并在真实的工业应用场景下，去和现有的立方金刚石工具进行严格的对比测试，看看其寿命优势到底有多大。

其次是中长期（10 年内）的“做单”愿景，通过攻克大尺寸单晶生长技术，合成出六方金刚石透明单晶，从而解锁其在半导体领域和珠宝领域的潜力。届时，它不仅能凭借优异的热导率成为 AI 算力芯片的理想散热底座，还有望在量子传感与大功率电子器件领域，凭借独特的电子学特性占据一席之地。

“这需要科学界与产业界的通力合作，”杨西贵展望道，“也许十年后，当你走进珠宝店或选购高功率电子器件时，六方金刚石将成为一个性能更优的常规选项。”

参考链接：

1.Lai, S., Yang, X., Shi, J. et al. Bulk hexagonal diamond. Nature (2026). https://doi.org/10.1038/s41586-026-10212-4

2.Yang, L., Lau, K.C., Zeng, Z. et al. Synthesis of bulk hexagonal diamond. Nature 644, 370–375 (2025). https://doi.org/10.1038/s41586-025-09343-x

3.Chen, D., Chen, G., Lv, L. et al. General approach for synthesizing hexagonal diamond by heating post-graphite phases. Nat. Mater. 24, 513–518 (2025). https://doi.org/10.1038/s41563-025-02126-9

4.https://www.nature.com/articles/d41586-026-00711-9

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