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六方金刚石（Hexagonal Diamond，HD）是一种罕见的碳同素异形体，其特殊的六方晶格结构使得它具备优异的力学性能，理论上可能超越传统的立方体钻石（CD）成为硬度最高的材料。然而，由于合成过程中的难度及技术限制，HD一直未得到广泛应用。自然界中的HD大多数来源于陨石，且其纯度较低，尺寸微小，这使得其科学研究和工业应用受到了极大的限制。过去通常通过高压冲击或化学气相沉积等方法合成HD，但大多数方法产出的HD样品中，常常混有立方体钻石或其他石墨相，难以得到高纯度的HD。近年来，随着高压高温（HPHT）技术的进步，科学家们开始探索在极端条件下合成纯HD的方法，但由于石墨向HD转化所需的能量较大，HD的合成仍面临许多挑战。基于此，吉林大学刘冰冰和姚明光教授、董家君副教授、以及中山大学朱升财副教授等人合作提出了一种新的合成策略，通过加压加热处理石墨样品，成功实现了高纯度HD的合成。该研究以“General approach for synthesizing hexagonal diamond by heating post-graphite phases”为题，发表在《Nature Materials》期刊上。论文第一作者为陈德斯博士、共同一作为陈顾文博士（中山大学）。2021年11月25日，吉林大学刘冰冰教授、姚明光教授团队等人在顶级学术期刊Nature上发表了题为“Ultrahard bulk amorphous carbon from collapsed fullerene”的成果。
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姚明光，教授，博士生导师，现就职于吉林大学物理学院。2002年于吉林大学物理学院获学士学位，2007年于吉林大学超硬材料国家重点实验室获博士学位，2018年获国家优秀青年科学基金，2022年获国家杰出青年科学基金，研究方向：高压下碳材料的研究等。研究成果多次发表在Nature、Nat. Commun.、PRL、Adv Mater、PRB等国际学术期刊，被诺奖获得者、美国科学院院士R. Hoffmann等著名学者引用，其合成出的近全sp3非晶碳块体材料被Nature专题亮点评述为“材料领域的突破”。（部分信息）![]()
刘冰冰教授，博士生导师，现任吉林大学超硬材料国家重点实验室主任。1995年于吉林大学超硬材料国家重点实验室获博士学位。任吉林大学超硬材料国家重点实验室教授、博士生导师。2010年获国家杰出青年科学基金。（部分信息）
1、本研究首次通过加热后石墨相实现了高纯度的HD合成，解决了传统合成方法面临的合成纯度低和合成困难的问题。该方法可应用于大规模材料合成及微纳材料的制备。2、合成的HD晶体展现了高的硬度和热稳定性，硬度达到155 GPa，远高于自然钻石的硬度，这为HD在工业中的应用，如超硬材料和热稳定材料，提供了新的可能性。3、通过对高压高温下的转化机制进行深入分析，研究发现温度梯度在HD合成中的重要作用。研究表明，高压与温度梯度共同作用，显著提高了石墨向HD转化的效率和纯度。图1展示了样品在钻石压砧中加热前后的光学显微图像。图1a为未加热的样品，显示石墨在常温下保持不透明状态。图1b展示了在50 GPa的高压条件下，经激光加热至1800 K后，石墨样品变得透明，这标志着样品经历了由石墨到后石墨相的转变，并进一步转化为六方金刚石（HD）。这一现象表明，温度的升高及高压环境共同作用下，样品发生了显著的结构变化，转换为透明相，符合从石墨向HD的过渡机制。此外，图1c为电子能量损失谱（EELS）结果，显示在加热后，石墨中的π*峰消失，表明碳原子的sp²键转变为sp³键，这进一步验证了HD的形成。图1d展示了不同压力下石墨样品的拉曼光谱，通过UV激光激发的拉曼图谱显示，HD的特征峰出现在约1315 cm⁻¹，而没有发现来自立方体钻石（CD）的特征峰。图2展示了SG-50和SG-20样品的微观结构分析。图2a中的低倍透射电子显微镜（TEM）图像显示了SG-50样品的高质量HD晶层结构，表明该样品中含有大量堆叠整齐的HD纳米层。与此对比，图2d中的SG-20样品则主要由立方体钻石（CD）晶体构成，显示出与SG-50不同的微观结构。在图2b和图2e中，高分辨率TEM图像揭示了SG-50和SG-20的晶格结构。SG-50的晶格间距为0.217 nm，并且各个晶面之间的角度为60°，符合HD的晶体特征，而SG-20的晶格则表现出典型的CD特征。图2c和图2f的傅里叶变换图像进一步证明了SG-50样品中主要为六方钻石（HD）相，而SG-20样品则包含大量立方体钻石（CD）。图3 SG-50的FIB切割样本中HD晶体的分子动力学模拟和高分辨率透射电子显微镜图像图3展示了大规模分子动力学（MD）模拟以及HRTEM图像，阐明了六方金刚石（HD）晶体的生长机制。图3a通过MD模拟展示了从AB堆叠的石墨转化为HD的过程，模拟表明，在高压下，石墨层的滑移和温度梯度促使了HD晶体的形成。在此过程中，石墨的结构经历了从AB堆叠到ABC堆叠的过渡，进而形成了HD晶体。这一模拟结果与实验数据高度一致，验证了高压下温度梯度对HD生长的促进作用。图3b则展示了从石墨到后石墨相再到HD的转化结构图。图3c和图3d分别展示了从SG-50样品中通过聚焦离子束（FIB）切割的HD晶体，图中清晰显示了[001]HD和[100]HD方向的晶格结构，进一步验证了石墨向HD的转化过程中，晶格方向的变化和HD晶体的有序生长。图4展示了使用大容量压机（LVP）合成的高定向六方金刚石（HOHD）样品的微观结构和性能测试结果。图4a为HOHD样品的低倍TEM图像，显示该样品具有层状的HD结构，每层的厚度约为几十纳米。通过SAED（选区电子衍射）图案，可以看到清晰的衍射点，证明该样品的HD晶体结构高度有序。图4b至4d为HOHD样品沿[001]、[100]和[011]方向的高分辨率TEM图像，这些图像进一步揭示了该样品层状HD晶体的特征。图4e展示了通过XRD（X射线衍射）测得的HOHD样品的衍射图谱，图谱显示了HD的主要衍射峰，进一步证明了样品中HD晶体的高结晶度。图4f则展示了通过维氏硬度测试得到的硬度值，HOHD样品在轴向和径向方向上的硬度分别为155 GPa和124 GPa，远高于自然钻石的硬度，这表明HOHD具有超高的硬度，具有巨大的应用价值。本文的研究为HD的高纯度合成提供了新途径，深入探讨了高压高温条件下石墨向HD转化的机制。通过实验和理论相结合的方式，揭示了温度梯度和高压共同促进HD生长的关键因素。该研究为HD在超硬材料和热稳定材料等工业应用中的潜力奠定了基础。General approach for synthesizing hexagonal diamond by heating post-graphite phases. Nature Materials, https://doi.org/10.1038/s41563-025-02126-9.🏅 我们提供专业的第一性原理、分子动力学、生物模拟、量子化学、机器学习、有限元仿真等代算服务。🎯我们的理论计算服务，累计助力5️⃣0️⃣0️⃣0️⃣0️⃣➕篇科研成果，计算数据已发表在Nature & Science正刊及大子刊、JACS、Angew、PNAS、AM系列等国际顶刊。👏👏👏
