超硬材料的新時代
中國研究人員實現了全球科學家追尋逾六十年的目標：成功製成塊體純六方鑽石。這項突破發表於《自然》期刊，研究人員首次合成出毫米大小的這種稀有碳同素異形體樣品。理論認為，這種材料的硬度可能超越傳統立方鑽石；數代以來，立方鑽石一直高居莫氏硬度尺度之首。
這支研究團隊由鄭州大學、吉林大學及高壓科學與技術先進研究中心的物理學家組成，成功終結了關於六方鑽石是否為獨立材料的長期科學爭議。他們的研究證實，1967 年首次在亞利桑那州一塊隕石中發現的藍絲黛爾石，並非只是有缺陷的立方鑽石，而是具有獨特性質的真正碳相，有望革新工業製造、航太工程及量子感測技術。
天然鑽石是在地球深處的地函中形成，碳原子呈立方排列；六方鑽石的碳原子則排列成類似蜂巢的晶格結構。這種排列使層與層之間的鍵結更短、更強，與傳統上用於切削工具、鑽探設備及高效能電子產品的鑽石相比，可能具有更高硬度與更佳熱穩定性。
這項合成成果不只是實驗室裡的好奇發現。數十年來，由於無法製造足量的純六方鑽石供測試，其理論性質始終停留在理論階段。過去的嘗試只能製得壽命短短數奈秒的奈米級晶體，或是混有石墨與立方鑽石的樣品，無法進行確切鑑定。中國團隊製成直徑介於 100 微米至 1.8 毫米的晶體，讓研究人員首度得以對這種難以捉摸的材料進行全面機械測試。
六十年的科學爭議
六方鑽石的研究始於 1962 年，當時匹茲堡煤炭研究中心的研究人員首度提出，碳原子可能以六方晶格排列，而非形成人們熟悉的立方結構。這種理論上的變體因獨特的鍵結排列，可能具有更高硬度，但要證明它確實存在，還得再等五年，並仰賴一次來自外太空的「送貨」。
1967 年，地質學家檢視亞利桑那州巴林傑隕石坑的峽谷迪亞布羅隕石碎片後，宣布發現一種新礦物。這種六方鑽石以先驅晶體學家、曾確立苯分子結構的凱瑟琳・朗斯代爾女爵士命名為藍絲黛爾石。它們似乎是在約 5 萬年前隕石撞擊地球時產生的極端高溫與高壓下形成。後來，印度阿薩姆邦的戈阿爾帕拉隕石中也發現類似的微量痕跡。
然而，慶祝來得太早。質疑者認為，這些樣品根本不是真正的六方鑽石，而是具有堆疊錯位或混亂缺陷的立方鑽石，只是看似呈現六方對稱。2021 年，研究人員發表研究指出，過去所有被鑑定為藍絲黛爾石的樣品，其實都是誤認的立方鑽石變體。由於從未有實驗室製成足量的純六方鑽石，無法一錘定音地解決爭議，這種質疑始終存在。
突破的關鍵技術
中國團隊的成功，關鍵在於開發出一種新型高壓高溫技術，克服六方鑽石在熱力學上的不穩定性。雖然在最高達 2 太帕的壓力下，立方鑽石仍是 sp3 鍵結碳最穩定的形態，但研究人員意識到，必須透過精確控制前驅物的形態與合成條件，以動力學方式促成六方鑽石形成。
研究人員使用高度定向熱解石墨，這種合成碳材料的原子層排列整齊，並設計出獨特的組合裝置，將採用高強度緻密氧化鋁的活塞圓筒壓機整合至多砧壓機中。這種配置能讓他們主要沿 z 軸方向、垂直於碳片的方向壓縮石墨，而非從側面施壓。
樣品在 20 吉帕的壓力下壓縮 10 小時，約為海平面地球大氣壓的 20 萬倍。溫度介於華氏 2,300 至 3,450 度（攝氏 1,300 至 1,900 度）。研究人員利用原位 X 光繞射進行即時監測，觀察微觀轉化過程，並確認發生了麻田散體轉變：六方石墨透過層間滑移及石墨片之間直接鍵結，轉變為六方鑽石。
測量卓越性能
有了毫米大小的樣品，研究團隊終於能進行確切的機械測試。他們使用維氏硬度測試等方法，測量材料抵抗刮傷與變形的能力。結果顯示，六方鑽石的硬度介於 114 至 165 吉帕，天然立方鑽石則約為 110 吉帕。這代表硬度顯著提升，但仍略低於早期預測所推估的 50% 增幅。
除了硬度之外，這種材料也展現出非凡的熱穩定性，在攝氏 1,100 度以下能抵抗氧化。這項特性可望克服立方鑽石的一項關鍵限制：在工業鑽探或切削作業中暴露於高溫氧氣時，立方鑽石可能產生表面缺陷。六方結構的剛性與抗氧化能力，顯示它可用於傳統鑽石無法勝任的極端環境。
研究人員以高解析度穿透式電子顯微鏡進行結構鑑定，確認其具有六方鑽石特徵性的蜂巢狀起伏層 AB 堆疊。光譜分析顯示，所有鍵結皆為 sp3 σ 鍵，不含代表石墨殘留污染的 sp2 π 鍵。值得注意的是，層間有一個鍵結比其他三個更短，這解釋了六方鑽石的結構強度為何高於立方鑽石。
工業與科學應用
塊體六方鑽石的問世，為過去受限於立方鑽石性能上限的應用開闢了道路。研究共同第一作者、鄭州大學物理學家單崇新指出，這種材料有望用於多個領域。
它在許多領域都具有應用潛力，例如切削工具、熱管理材料及量子感測。
單崇新向《自然》表示。
航太與國防產業尤其可能受益。六方鑽石的高硬度與熱穩定性，使其適合用於講求極高精度與耐用性的加工及鑽探作業。天然鑽石受採礦限制與倫理疑慮所制約，而實驗室培育的六方鑽石有望成為兼具更佳性能的永續替代品。
在地質學方面，這項合成成果為隕石撞擊過程提供重要線索。了解六方鑽石如何在極端高壓與高溫下形成，有助科學家辨識撞擊事件，並重建太陽系行星形成的歷史。如今，峽谷迪亞布羅等隕石中發現藍絲黛爾石的原因也更為明確：它是在特定的撞擊變質條件下形成，而中國團隊已成功重現這些條件。
獲得國際科學界驗證
這項研究引起國際科學界高度關注。內華達大學拉斯維加斯分校晶體學家奧利佛・特紹納為《自然》審查這項研究，並對研究結果給予有力肯定。
有數百項研究聲稱發現了它，但這是第一次對這種難以捉摸的材料進行非常精確的鑑定。
特紹納表示。
曾研究碳同素異形體的東京大學無機化學家中村榮一，則強調這項方法在研究上的重要性。
這種新的兩階段方法，首次提供確切證據，證明六方鑽石是一種獨立且可回收的塊體材料。
中村表示。
高壓科學專家、中國科學院外籍院士毛河光指出，這項研究對材料科學有更廣泛的意義。
這種合成六方鑽石預計將為超硬材料及高階電子裝置的發展開闢新道路。
毛河光接受《南華早報》訪問時表示。
儘管令人振奮，研究人員也承認，商業化仍面臨挑戰。合成所需的特殊高壓設備限制了目前的產能，因此初期應用可能集中於精密科學儀器及特殊工業切削工具等高價值利基市場，而非大眾珠寶市場。
重點整理
- 中國科學家首度合成出毫米大小的純六方鑽石（藍絲黛爾石），終結了這種材料是否為獨立物質、長達 60 年的科學爭議。
- 這種材料的硬度介於 114 至 165 吉帕，高於天然立方鑽石約 110 吉帕的硬度，且在攝氏 1,100 度以下具有更佳熱穩定性。
- 研究人員將高度定向熱解石墨在 20 吉帕（大氣壓的 20 萬倍）及攝氏 1,300 至 1,900 度下壓縮 10 小時，成功使其轉化。
- 潛在應用包括先進切削工具、電子產品熱管理系統、量子感測裝置，以及需要極高耐用性的航太零組件。
- 這項突破化解了長期以來的質疑：六方鑽石究竟是獨立的碳相，還是僅代表有缺陷的立方鑽石結構。
