金剛石的碳原子排布呈四面體網(wǎng)格狀，堅(jiān)硬又耐磨，被稱(chēng)為“硬度之王”。然而這一結(jié)構(gòu)也有弱點(diǎn)：某些平面一旦受力，就容易錯(cuò)位滑移，限制其強(qiáng)度。于是科學(xué)家把眼光投向另一種結(jié)構(gòu)更精美、性質(zhì)更優(yōu)越的超級(jí)鉆石——六方金剛石。
六方金剛石的形成條件極為苛刻，人工合成最大難點(diǎn)在于高溫高壓下六方金剛石的形成能量高于普通金剛石，因此高溫高壓產(chǎn)物常以普通金剛石為主，而難以得到六方金剛石。
我國(guó)科學(xué)家創(chuàng)新提出了一種由石墨到六方金剛石轉(zhuǎn)變的方法，在可控的高溫高壓、準(zhǔn)靜水壓條件下，壓縮和加熱石墨單晶，最終得到高純度六方金剛石。
左圖為常見(jiàn)金剛石的碳原子結(jié)構(gòu)排列，右圖為六方金剛石的碳原子排列。（受訪者供圖）
“普通金剛石的碳原子以相同的鍵長(zhǎng)相連接。而我們合成的六方金剛石碳原子之間存在兩種不同鍵長(zhǎng)，四分之一的‘碳-碳’鍵更短更強(qiáng)，克服了金剛石密堆積面易滑移的弱點(diǎn)，具備更優(yōu)越的硬度、韌性。”論文通信作者楊文革說(shuō)。
論文第一作者、北京高壓科學(xué)研究中心研究員楊留響介紹，高純度六方金剛石的合成，歸功于兩項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)：一是選擇純度高、無(wú)雜質(zhì)的天然石墨單晶，有助于得到純度更高、微米級(jí)大小、結(jié)構(gòu)有序的六方金剛石樣品；二是采用恰當(dāng)?shù)奶綔y(cè)手段——研發(fā)人員給石墨晶體不斷加壓，并用高壓原位X光觀測(cè)樣品變化，避免了密堆積面的滑移，最終制得純凈、未變形的六方金剛石塊體。
“這項(xiàng)工作為下一步類(lèi)金剛石材料研究奠定方法基礎(chǔ)。六方金剛石更加出色的硬度、導(dǎo)熱性、光學(xué)性能、量子特性等，也將為超硬材料和高端電子器件研發(fā)開(kāi)辟新路徑。”高壓物理學(xué)家、中科院外籍院士毛河光說(shuō)。
