對話鄭大楊西貴：比鉆石還硬的六方金剛石是如何“煉”成的？

搜狐科技《思想大爆炸——對話科學家》欄目第150期，對話鄭州大學物理學院教授楊西貴。

嘉賓簡介：

楊西貴，鄭州大學物理學院教授，博士生導師，九三學社社員。國家優(yōu)秀青年科學基金、河南省杰出青年科學基金、中國科協青年人才托舉工程獲得者，河南省高層次人才。一直從事金剛石材料與器件研究。

• 六方金剛石的維氏硬度優(yōu)于傳統立方金剛石，還表現出更高的剪切模量與優(yōu)異的熱穩(wěn)定性。

• 普通金剛石通過加入色心可以用于量子傳感和信息處理，而六方金剛石具有六次對稱性，如果未來能實現可控摻雜，有望提供一個全新的量子平臺。

• 有時我們碰到反常現象可能會覺得是誤差或者懷疑自己做錯了，從而忽略掉了，但很多科學發(fā)現就是從反常開始的。

出品｜搜狐科技

作者｜周錦童

編輯｜楊 錦

“鉆石恒久遠，一顆永流傳”。

鉆石，也就是金剛石，作為自然界最堅硬的物質之一，自古以來便象征著堅不可摧。但其實它的強度還能更上一層樓——就是理論上存在的“六方金剛石”，又稱朗斯代爾石。

近日，鄭州大學金剛石材料與器件研究團隊成功合成毫米級大小的純相六方金剛石塊材，并精確解析了其晶體結構，揭示出全新的相變機制。相關研究成果發(fā)表在Nature上。

這一成果不僅向自然界最硬的物質發(fā)起了挑戰(zhàn)，也為未來超硬材料的設計與應用開辟了新的可能。對此，搜狐科技對話了論文通訊作者——鄭州大學物理學院楊西貴教授，聽他分享六方金剛石的“奧秘”。

比鉆石還硬的“六方金剛石”

楊西貴首先解釋了六方金剛石和我們熟知的鉆石，也就是普通立方金剛石的區(qū)別。

“通俗理解，它倆就像孿生兄弟一樣，本質都是由碳原子組成的。立方金剛石屬于立方晶系，晶胞呈立方體形狀，三軸長度相等且互相垂直，軸角都是90°，而六方金剛石屬于六方晶系，晶胞的a軸和b軸長度相等，但不等于c軸，a軸和b軸之間的夾角是120°。”

雖然早在1967年，六方金剛石就在隕石中被發(fā)現了，但有關六方金剛石的存在爭議還是持續(xù)了很長時間，因為此前合成的產物中往往會混有立方金剛石或大量缺陷。

對此，楊西貴表示：“六方金剛石之所以難以單獨制備，是它與立方金剛石的熱力學穩(wěn)定性不同。相比于能量低且穩(wěn)定的立方金剛石，六方金剛石是一種亞穩(wěn)相材料，能量狀態(tài)更高。”

“我們都知道水往低處流，如果想讓它往高處流就要施加外力，碳原子也是如此，它更傾向于排列成能量低的立方結構，如果想得到六方金剛石這種亞穩(wěn)態(tài)，就不能讓碳原子走那條通往立方結構的‘能量高速公路’，必須通過特殊的技術手段干預它轉變路徑，強制它們走上通往六方結構的‘崎嶇小路’。”楊西貴舉例道。

過去由于技術限制，人們無法精確控制這種動力學轉變路徑，所以很難獲得純凈的六方金剛石樣品。而之所以隕石撞擊能保留六方結構，就是因為它在極短的瞬態(tài)過程將其“凍結”了。

于是，楊西貴所在的研究團隊選擇了取向高度一致的高定向熱解石墨（HOPG）作為前驅體材料。在加壓過程中，通過施加軸向力來控制其橫向滑移的距離，避免過度滑移，促使石墨層原子鍵連形成六方結構。

不僅如此，他們還在不同溫度和壓力的條件下進行了測試，經過多次實驗，最終才確定了20 GPa、1300-1900℃是最有利于石墨向六方結構轉變的溫壓區(qū)間。

楊西貴稱，六方金剛石的理論硬度比普通鉆石高是基于完美模型的極限值，他們的實驗數據表明，雖然它的維氏硬度確實比立方金剛石高，但并沒有達到理論預測近60%那么高的數值。

除了硬度外，六方金剛石還表現出了更高的剪切模量與優(yōu)異的熱穩(wěn)定性。

六方金剛石超越傳統金剛石的硬度，可用于制造耐磨刀具、鉆頭等高端工具，延長工具壽命，未來應用在航空航天、半導體等領域的超精密加工。

不僅如此，六方金剛石在量子領域還有潛在的應用前景。

“普通金剛石中的氮空位（NV）色心是目前量子信息領域的‘明星’，而六方金剛石獨特的晶體結構，有望為金剛石NV色心帶來全新的可能性，我想這也是大家期待和努力的一個研究方向。”楊西貴如是說。

三支科研隊伍的“硬核”接力

當楊西貴在實驗數據中首次確認得到“結構完全純凈的六方金剛石相”的那一刻，他的心情既如釋重負又充滿驚喜。

“這種材料很長時間都沒被成功獲取，甚至有學者認為它是含缺陷的立方金剛石，可能根本不存在。我們經過這么多年的努力，終于證實它存在的時候，那一刻是如釋重負的。”

不過，楊西貴稱他們的論文在同行評議過程中，同期也有兩項重要的工作出來。一是去年2月，吉林大學劉冰冰教授、姚明光教授團隊成功合成高質量六方金剛石塊材。他們不僅提供了六方金剛石獨立存在的有力證據，也提供了一種六方金剛石人工合成的有效途徑。

二是去年7月北京高壓科學研究中心毛河光院士團隊利用高純度天然單晶石墨也成功制備出六方金剛石。

“雖然我們的研究今年3月才發(fā)表出來，但我覺得中國科學家接力做這個事情非常好，我們三個課題組互相獨立，我們在尊重教科書權威的同時，也都保持了對科學的質疑精神。不過隨之而來的是，我們現在也有如何推動六方金剛石實際應用的新壓力。”楊西貴坦言。

在“反常”中開辟新路徑

談到這，我們不免發(fā)問：如何才能在一些傳統領域中找到像“六方金剛石”這樣的新突破口？

對此，楊西貴分享道：“高壓領域的研究確實比較飽和，所以無論我們選擇哪一個課題，一定要抓反常現象。有時我們碰到反常現象可能會覺得是誤差或者懷疑自己做錯了，從而忽略掉了，但很多科學發(fā)現就是從反常開始的。”

就像六方金剛石的發(fā)現一樣，隕石樣品的X射線衍射數據中主峰旁會出現不對稱的弱小峰。既然碳有這么多同素異形體，sp1家族有碳鏈、碳環(huán)和石墨炔，sp2家族有石墨、石墨烯、富勒烯、碳納米管，sp3家族的立方金剛石也應該有“兄弟姐妹”。

楊西貴關注到了這個反常，便開始了課題研究，雖然是“摸著石頭過河”，但事實證明，確實如他所料，做出了有影響力的工作。

“二是要‘拓維度’，在傳統的高溫高壓實驗中，除了常規(guī)的靜水壓，我們還引入了單軸力、剪切力等新變量，打開新的研究空間；另外，還要‘拓邊界’，比如突破現有高壓設備的壓力條件，向更高壓力探索，在極端條件下去發(fā)現全新的現象。”

談及未來六方金剛石真正走向工業(yè)應用還需要多久時，楊西貴認為這取決于具體方向。最接近應用的是磨料模具領域，目前兩毫米的樣品是可以嘗試制作小型刀具的。

未來，他們會繼續(xù)把現有樣品尺寸“做大”，從毫米級提升到厘米級，希望五年內在切磨拋領域驗證其應用潛力，爭取初步應用。

另一方面他們還會繼續(xù)追求“單晶化”，爭取在十到二十年內能夠有所突破，進而探索半導體、量子傳感等高端領域應用。

“當然，這需要學界與產業(yè)界共同配合，因為超硬材料領域相對較小，只有大家合力才能把這個領域真正做起來。”楊西貴如是說。

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