一、【科学背景】
1962年，Ergun等人首次提出六方金刚石（HD，又称朗斯代尔石，lonsdaleite）可能存在，理论预测其硬度可能超过立方金刚石（cubic diamond）。过去60年，所有天然（如陨石撞击）或人工合成（如爆炸压缩）的HD均以纳米级碎片、无序混合物形式存在，无法分离出纯相大块样品，导致其物理化学性质（如硬度）无法准确测定。此外，由于样品不纯，学界对 HD 是否为独立的结晶相存在质疑，部分研究认为其仅是立方金刚石中的堆垛缺陷或孪晶结构。
二、【创新成果】
基于此，北京高压科学研究中心毛河光院士、杨文革研究员联合中国科学院西安光学精密机械研究所罗端特聘研究员在Nature发表了题为“Synthesis of bulk hexagonal diamond”的论文，报告了通过在受控准静水压条件下压缩和加热高质量石墨单晶，成功合成、回收并进行全面表征的体相HD。本研究首次合成了毫米级、高度有序的体相HD，并且观察到石墨
（1010）取向直接转化为HD（0002），以及石墨（0002）转化为HD（1010）。体相样品由紧密交织的100纳米尺寸晶体以三倍体结构生长而成，主要为HD，仅含有微量立方金刚石缺陷。HD中的层间键长相对于层内键长更短，以优化HD结构。值得注意的是，HD的硬度仅比立方金刚石略高。研究预计，通过净化前驱体石墨碳并精细调节高压-高温（P-T）合成条件，可能制备出更高质量的HD。
三、【图文解析】
图1 在高压和高温条件下，石墨向HD的单晶相变及其外延晶体学关系 © 2025 Springer Nature
图2 HRTEM图像及其对应的沿不同晶面轴方向获取SAD图案 © 2025 Springer Nature
图3 通过紫外拉曼光谱、模拟拉曼光谱和AC-HRTEM确定HD特有的两种不同键长 © 2025 Springer Nature
图4 纯sp³键合状态以及块状HD的优异力学性能 © 2025 Springer Nature
四、【科学启迪】
综上，本研究通过优化压力和温度合成条件，成功地从单晶石墨前驱体合成了大量均匀的六方金刚石（HD）样品。高能同步辐射XRD研究证实，HD晶体与原始石墨晶体之间存在严格的晶体学取向关系。通过硬X射线对样品进行的XRS研究以及电子显微镜在原子尺度上的EELS研究，证实了石墨sp2 π键完全转化为HD sp3 σ键。HRTEM和SAD研究证实了与XRD在块状样品中观察到的相同的晶体取向关系，并显示出原子分辨率、名义上均匀的2H堆积序列，呈三倍体结构，域尺寸约为100纳米。紫外拉曼光谱、HRTEM和DFT模拟均揭示了HD的两键长度特征。本研究结果明确证明了HD作为碳的真实相存在，其硬度与立方金刚石相当，并具有最优的弯曲蜂窝层状结构，由扭曲的sp³四面体单元组成，层内键长为1.58 Å，层间键长为1.50 Å，相较于立方金刚石结构，这增强了层间连接。值得注意的是，这仅仅是开始；作为立方金刚石的六方变体，HD被预测具有许多极具优势的力学、电学、热学和光学性能，与金刚石相当且互补。HD在合成条件下的P-T条件、前驱体石墨中的掺杂剂以及纳米晶体结构方面，为优化理想特性和工程化理想sp³碳同素异形体提供了巨大机遇。本研究通过精准控制的合成方法与全面的表征手段，解决了六方金刚石研究中的核心争议，不仅明确了其作为独立物相的存在，还为其结构与性能的深入探索及应用开发铺平了道路。
原文详情：Synthesis of bulk hexagonal diamond (Nature 2025, DOI: 10.1038/s41586-025-09343-x)
本文由大兵哥供稿。
