金刚石向来被誉为自然界最坚硬的物质，但这项地位或许即将被颠覆。中国科研团队近日在《自然》（Nature）期刊上发表突破性研究，成功合成了理论上比金刚石坚硬 60% 的碳材料——块状六方金刚石（Hexagonal Diamond，简称 HD）。这项成就不仅挑战传统认知，更可能为未来的超硬材料与高科技应用开启新局。
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金刚石与六方金刚石的差异：立方对六方结构
传统金刚石属于「立方晶格」结构，由每个碳原子与四个相邻碳原子形成稳定的 sp³ 共价键，构成坚固的四面体网络。这种排列方式赋予金刚石极高的硬度与优异的物理性质。
然而，早在 60 年前，科学家就曾预测另一种形式的碳结构——六方金刚石，其为六方晶格排列，与立方金刚石不同。理论上，这种结构在力学性能上更胜一筹，却始终难以以纯净状态合成。
天然 HD：来自太空的证据
在自然界中，科学家曾于陨石撞击地点发现过微量六方金刚石，例如在美国亚利桑那州的迪亚布罗陨石坑中，发现的蓝丝黛尔石（Lonsdaleite）就是 HD 的一种天然形式。这些矿物多产生于陨石撞击石墨时所产生的高温高压环境。
然而，这些天然样本往往混杂其他碳相，如:石墨与立方金刚石，颗粒极小，且纯度极低，无法用于材料科学实用领域。
研究突破：成功合成纯净块状六方金刚石
在历经八年反覆实验后，北京高压科学研究中心的研究团队，终于合成出纯度接近 100% 的块状 HD 晶体，尺寸达直径 1 毫米、厚度 70 微米，是目前最大、最纯净的实验样本。
研究人员选用高品质单晶石墨为原料，在特殊的金刚石对顶砧（DAC）与多砧压机中施加极为均匀的压力与高温条件，模拟陨石撞击环境，同时以同步加速器与电子显微镜技术确认结构。这是首次在室内环境中成功制造出具备大尺寸、完整结构的 HD 晶体。
分子层级的结构奥秘：更强的层间键
透过拉曼光谱与红外光谱等先进技术，团队发现 HD 结构中所有碳键皆为 sp³ σ 键，完全无 sp² π 键（石墨特征）。特别值得注意的是，HD 结构层与层之间有一种键的键长明显短于其他三种键，这代表层间作用力更强，是造成其高硬度的主因之一。
在维氏硬度测试中，HD 显示出明显高于传统金刚石的抗塑性变形能力，证明其超硬特性不仅存在于理论之中，更可透过实验证实。
HD 的潜在应用：从钻探工具到量子科技
如果未来能制造出厚度与体积更大的 HD 材料，应用潜力将极为广泛。首先，它可作为超硬工具材料，应用于地热钻探、深层矿物采掘、高耐磨机械元件等领域。
此外，因其高机械稳定性与完美 sp³ 结构，HD 还可能在量子计算元件、微机电系统（MEMS）与高频电子元件等尖端科技中扮演关键角色。
这不只是一颗金刚石：科学与材料的未来里程碑
金刚石的名称来自希腊语「adámas」，意为「无法征服的」。如今，六方金刚石的诞生可能重新定义我们对「最硬物质」的理解。它不仅是一项材料学上的里程碑，也象征着人类对自然极限挑战的再一次突破。
透过进一步优化制程条件、提升前驱体纯度、调控压力与温度等参数，未来有望大规模制造这种比金刚石更硬的碳材料，为高科技工业与量子时代奠定更坚实的基础。
参考资料:
- 《自然》（2025 年）。 DOI：10.1038/s41586-025-09343-x
- 比金刚石坚硬 60％，科学家成功合成块状六方金刚石
- Scientists design superdiamonds with theoretically predicted hexagonal crystal structure
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