鑽石向來被譽為自然界最堅硬的物質，但這項地位或許即將被顛覆。中國科研團隊近日在《自然》（Nature）期刊上發表突破性研究，成功合成了理論上比鑽石堅硬 60% 的碳材料——塊狀六方鑽石（Hexagonal Diamond，簡稱 HD）。這項成就不僅挑戰傳統認知，更可能為未來的超硬材料與高科技應用開啟新局。
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鑽石與六方金剛石的差異：立方對六方結構
傳統鑽石屬於「立方晶格」結構，由每個碳原子與四個相鄰碳原子形成穩定的 sp³ 共價鍵，構成堅固的四面體網絡。這種排列方式賦予鑽石極高的硬度與優異的物理性質。
然而，早在 60 年前，科學家就曾預測另一種形式的碳結構——六方鑽石，其為六方晶格排列，與立方鑽石不同。理論上，這種結構在力學性能上更勝一籌，卻始終難以以純淨狀態合成。
天然 HD：來自太空的證據
在自然界中，科學家曾於隕石撞擊地點發現過微量六方鑽石，例如在美國亞利桑那州的迪亞布羅隕石坑中，發現的藍絲黛爾石（Lonsdaleite）就是 HD 的一種天然形式。這些礦物多產生於隕石撞擊石墨時所產生的高溫高壓環境。
然而，這些天然樣本往往混雜其他碳相，如:石墨與立方鑽石，顆粒極小，且純度極低，無法用於材料科學實用領域。
研究突破：成功合成純淨塊狀六方鑽石
在歷經八年反覆實驗後，北京高壓科學研究中心的研究團隊，終於合成出純度接近 100% 的塊狀 HD 晶體，尺寸達直徑 1 毫米、厚度 70 微米，是目前最大、最純淨的實驗樣本。
研究人員選用高品質單晶石墨為原料，在特殊的鑽石對頂砧（DAC）與多砧壓機中施加極為均勻的壓力與高溫條件，模擬隕石撞擊環境，同時以同步加速器與電子顯微鏡技術確認結構。這是首次在室內環境中成功製造出具備大尺寸、完整結構的 HD 晶體。
分子層級的結構奧秘：更強的層間鍵
透過拉曼光譜與紅外光譜等先進技術，團隊發現 HD 結構中所有碳鍵皆為 sp³ σ 鍵，完全無 sp² π 鍵（石墨特徵）。特別值得注意的是，HD 結構層與層之間有一種鍵的鍵長明顯短於其他三種鍵，這代表層間作用力更強，是造成其高硬度的主因之一。
在維氏硬度測試中，HD 顯示出明顯高於傳統鑽石的抗塑性變形能力，證明其超硬特性不僅存在於理論之中，更可透過實驗證實。
HD 的潛在應用：從鑽探工具到量子科技
如果未來能製造出厚度與體積更大的 HD 材料，應用潛力將極為廣泛。首先，它可作為超硬工具材料，應用於地熱鑽探、深層礦物採掘、高耐磨機械元件等領域。
此外，因其高機械穩定性與完美 sp³ 結構，HD 還可能在量子計算元件、微機電系統（MEMS）與高頻電子元件等尖端科技中扮演關鍵角色。
這不只是一顆鑽石：科學與材料的未來里程碑
鑽石的名稱來自希臘語「adámas」，意為「無法征服的」。如今，六方鑽石的誕生可能重新定義我們對「最硬物質」的理解。它不僅是一項材料學上的里程碑，也象徵著人類對自然極限挑戰的再一次突破。
透過進一步優化製程條件、提升前驅體純度、調控壓力與溫度等參數，未來有望大規模製造這種比鑽石更硬的碳材料，為高科技工業與量子時代奠定更堅實的基礎。
參考資料:
- 《自然》（2025 年）。 DOI：10.1038/s41586-025-09343-x
- 比鑽石堅硬 60％，科學家成功合成塊狀六方金剛石
- Scientists design superdiamonds with theoretically predicted hexagonal crystal structure
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