中国科学家成功合成毫米级纯相六方金刚石，硬度超越天然钻石

近日，全球材料科学界迎来一项重大突破。来自郑州大学与南京大学的研究团队成功合成了毫米级、纯相的六方金刚石（又称“朗斯代尔石”或“陨石钻石”），并精确解析了其晶体结构与形成机制。

这项研究成果以“Bulk hexagonal diamond”为题，于北京时间2026年3月5日正式发表在国际顶级学术期刊《自然》（Nature）上

。

图｜从左向右：程少博、单崇新、杨西贵、来守龙（来源：受访者提供）

金刚石（钻石）因其无与伦比的硬度，被誉为“工业牙齿”和“终极半导体”。然而，自然界中常见的金刚石为立方晶系结构。早在上世纪60年代，科学家从理论上预言了六方晶系金刚石的存在，并于1967年在陨石中发现了其天然踪迹，因此得名“陨石钻石” 。理论预测显示，这种独特的原子堆垛方式可能赋予其超越普通钻石的硬度。但在此后长达60年的时间里，天然六方金刚石仅以纳米级颗粒嵌在陨石中，极难分离；人工合成产物也多为多相混合物，导致其是否能作为独立碳相存在一直是科学界的未解之谜 。

针对这一世纪难题，由郑州大学单崇新教授、程少博教授、杨西贵教授与南京大学孙建教授领导的联合团队，历时五年潜心研究，终于取得了关键性突破。

在实验合成方面，郑州大学团队从设备研制入手，自主开发出大腔体单轴高压技术。他们以高定向热解石墨为前驱体，提出了“石墨层受限滑移”的创新思路，在20 GPa（相当于20万个标准大气压）和1300°C的高温高压条件下，成功制备出直径约1.5毫米的纯相六方金刚石块体 。

为了确认这小小晶体的“身份”，研究团队进行了严谨的结构表征。通过同步辐射X射线衍射、球差校正透射电子显微镜等先进手段，团队首次获得了清晰的原子级分辨图像，直接观测到了六方金刚石特有的ABAB原子堆叠顺序和六方点阵结构 。电子能量损失谱进一步证实所有碳键均为sp³杂化，排除了其为带有堆垛层错的立方金刚石的可能性 。

这些确凿的证据，从实验上证实了六方金刚石作为独立稳定碳相的存在

。

理论机制的研究同样功不可没。南京大学孙建教授领导的理论团队与郑州大学实验团队紧密配合，利用机器学习驱动的分子动力学模拟方法，揭示了从石墨到六方金刚石的微观相变路径 。模拟结果显示，高度取向热解石墨中存在的层间键连缺陷起到了关键作用：它们不仅作为成核位点显著降低了相变势垒，还抑制了石墨层间的过度滑移，从而锁定了向六方金刚石转变的路径 。

这一发现不仅解释了实验现象，也为理解极端条件下碳结构的演化提供了全新图景

。

既然六方金刚石“传说”中比普通钻石还硬，事实究竟如何？研究团队首次对获得的块体样本进行了直接的力学性能测试。结果显示，其轴向维氏硬度高达114 ± 6.4 GPa，杨氏模量达到1229 ± 15 GPa，剪切模量为516 ± 18 GPa，

整体硬度和刚度均略高于传统的天然立方金刚石

。此外，该材料还表现出极高的热稳定性，其起始氧化温度高于普通金刚石 。

这一研究成果的意义是多方面的。

它不仅终结了关于六方金刚石是否真实存在的长期科学争议，被审稿人评价为“真正令人信服”、“解决了长期争议”

，更重要的是，它为人类在宏观尺度上掌握这种超硬材料铺平了道路。凭借其超越钻石的硬度、优异的抗剪切能力和热稳定性，六方金刚石有望在精密加工、高性能半导体器件、极端环境钻探工具以及量子传感等尖端技术领域发挥不可替代的作用 。