人造金剛石領域再迎技術重大突破。

 吉林大學微信公眾(zhong) 號2月11日發文稱，已發現了高溫高壓下石墨經由後石墨相形成六方金剛石的全新路徑，並“首次”合成出高質量六方金剛石塊材。該成果不僅(jin) 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，為(wei) 突破立方金剛石的應用局限提供了可能。

 2月10日，吉林大學高壓與(yu) 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(wei) “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後石墨相形成六方金剛石的全新路徑，並“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(jin) 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(wei) 超硬材料和新型碳材料添加了性能更為(wei) 優(you) 異的新成員，為(wei) 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鑽石的具體(ti) 來源和重大地質事件也有著重要意義(yi) 。

 金剛石不僅(jin) 是人們(men) 喜愛的寶石，更是集極高硬度、極耐磨、極高熱導率、極寬禁帶等優(you) 異性能於(yu) 一體(ti) 的重要前沿戰略材料，被稱為(wei) “最鋒利的工業(ye) 牙齒”和“國家戰略物資”，立方金剛石已經在精密加工、資源開采、信息通訊以及“深空、深地、深海”極端環境等國家重大需求領域發揮了重要作用。

 六方金剛石首次被發現是在美國亞(ya) 利桑那州的魔穀隕石中（1967年），這種罕見而珍貴的鑽石也因此被稱為(wei) “隕石鑽石”，普遍認為(wei) 是石墨在隕石撞擊地球形成的高溫高壓條件下轉變而成的，理論預測它比立方金剛石還堅硬。但由於(yu) 隕石快速衝(chong) 擊時間短，六方鑽石形成的條件極為(wei) 苛刻，隻有納米大小，且與(yu) 隕石共生，因此，六方鑽石能否獨立存在一直存在爭(zheng) 議，實現純相的人工合成極具挑戰。

 最大的難點是高溫高壓下六方金剛石的形成能壘高於(yu) 立方金剛石，高溫高壓產(chan) 物往往以立方金剛石為(wei) 主，難以形成六方金剛石，因此，雖然經過半個(ge) 多世紀的努力，純相六方金剛石的人工合成一直未能實現。

 研究團隊長期從(cong) 事超高壓下碳及相關(guan) 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製，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(guan) 鍵。

 考慮到隕石鑽石形成中，不僅(jin) 有超高壓還有高溫條件，為(wei) 此，團隊巧妙設計了高溫高壓實驗，首先利用激光加溫金剛石對頂砧技術原位研究了石墨在50GPa超高壓高溫下的結構變化規律，發現石墨在高壓力區間會(hui) 形成“後石墨相”高壓結構，再通過局部加熱成功獲得了六方金剛石。研究團隊進一步結合大尺度分子動力學理論模擬，揭示出石墨層堆疊構型對形成六方金剛石結構的關(guan) 鍵作用，證實了石墨經由後石墨相形成六方金剛石的全新路徑。

 研究團隊長期自主研發大腔體(ti) 超高壓實驗技術，針對大腔體(ti) 壓機腔體(ti) 尺寸與(yu) 壓力極限矛盾關(guan) 係這一國際性難題，開發了係列新型國產(chan) 碳化鎢壓砧以及超高壓組裝體(ti) ，在高溫下實現了40GPa超高壓，將原有的壓力極限提升60%，為(wei) 高溫高壓材料宏量製備提供了技術支撐（Engineering, 2025,DOI: 10.1016/j.eng.2023.03.023；Chin. Phys. Lett., 2020, 37, 080701）。針對六方金剛石塊體(ti) 的高壓合成，在超高壓組裝體(ti) 中巧妙地引入熱導率不同的高硬度材料，高壓下產(chan) 生溫度梯度，模擬金剛石對頂砧原位實驗中的高溫高壓條件，在30 GPa、1400 ℃的條件下，成功製備出毫米級高取向六方金剛石塊材。發現了六方金剛石具有出色的物理性質，硬度高達155 ± 9GPa，超過天然金剛石的40%以上，真空環境下其熱穩定性可以達到1100 ℃，優(you) 於(yu) 納米金剛石的900 ℃。

 該研究成果的第一完成單位為(wei) 吉林大學高壓與(yu) 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(wei) 陳德斯博士、共同一作為(wei) 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(wei) 論文共同通訊作者，與(yu) 瑞典於(yu) 默奧大學B. Sundqvist教授、吉林大學電子顯微鏡中心張偉(wei) 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，北京大學東(dong) 莞光電研究院發布最新研究成果，該院與(yu) 南方科技大學、香港大學組成的聯合研究團隊，在金剛石薄膜材料製備和應用方麵取得重要進展，成功開發出能夠批量生產(chan) 大尺寸超光滑柔性金剛石薄膜的製備方法。這被視為(wei) 在金剛石薄膜技術領域的一大飛躍，為(wei) 未來金剛石薄膜在電子、光學等多個(ge) 領域的應用提供了新的可能性。

 今年2月10日，寧波大學物理科學與(yu) 技術學院潘益龍研究員聯合燕山大學高壓科學中心田永君院士團隊及南京理工大學研究人員，成功合成出硬度達276GPa的超細納米孿晶金剛石塊材，再度刷新材料硬度紀錄。

 “金剛石領域技術持續突破，不僅(jin) 展示了其在材料科學中的重要性，也為(wei) 未來在電子信息、航空航天等領域應用開辟了新的可能。”國家超硬材料產(chan) 業(ye) 基地首席專(zhuan) 家、中國機械工程學會(hui) 金剛石及製品分會(hui) 名譽理事長王秦生介紹，我國是人造金剛石主要生產(chan) 國，人造金剛石產(chan) 量占全球總產(chan) 量90%以上。技術層麵，我國自主研發的六麵頂壓機及整套生產(chan) 技術，更是國際領先。

 對於(yu) 近期業(ye) 內(nei) 不斷湧現的新技術，王秦生也表示，目前人造金剛石的製備方法主要為(wei) 高溫高壓法（HTHP）和化學氣相沉積法（CVD），其他新方法的產(chan) 業(ye) 化仍麵臨(lin) 技術成熟度、設備材料匹配度以及成本控製等難題。