比鑽石堅硬 60％，科學家成功合成塊狀六方金剛石

鑽石被視為自然界最堅硬物質，但這個稱號可能即將被動搖。科學家已設計出理論上比鑽石還要堅硬的碳同素異形體，稱為塊狀六方金剛石，未來應用潛力巨大，比如超硬材料工具、超高頻電子元件、量子計算元件。

鑽石的晶體類型為金剛石結構，由碳原子與另外 4 個相鄰的碳原子形成共價鍵，每 4 個相鄰的碳原子均構成正四面體。約 60 年前，科學家預測存在一種更堅硬的金剛石類型，稱為六方金剛石（hexagonal diamond，HD），具有六方晶格，而不是傳統鑽石的立方晶格。

科學家曾發現形成自隕石撞擊期間的天然六方金剛石，極端高溫高壓條件能迅速將石墨轉變成這種罕見鑽石形態，但這些天然六方金剛石只是微小顆粒，且通常與一般鑽石、石墨混雜。

理論預測來看，六方金剛石比立方金剛石具有更多優越力學性能，但實驗室模擬隕石撞擊條件的合成方法雖然能生成奈米級六方金剛石結構，但這些樣本往往不純，想合成純淨六方金剛石相當困難。

經過 8 年嘗試，北京高壓科學研究中心團隊利用先進同步加速器和電子顯微鏡技術，最近確認合成出純凈、塊狀六方金剛石晶體，尺寸直徑 1 毫米，厚度 70 微米，純度接近 100％，具 100% sp³ 鍵合特性。

團隊接著使用各種光譜技術進一步探究六方金剛石結構，發現層與層之間的 4 個化學鍵中，有一種鍵長度實際上比其他 3 種鍵短，這有助解釋為什麼六方金剛石結構強度比立方鑽石高。

分析還顯示，六方金剛石內部所有化學鍵均為 sp³ σ 鍵，未發現任何 sp² π 鍵（石墨特徵），基於其結構，預計六方金剛石能比常規鑽石硬 60％。

如果實驗室未來能合成足夠厚度的六方金剛石，將可用於一系列工業用途，比如地熱能量鑽探工具等。

新論文發表在《自然》（Nature）期刊。

• Synthesis of bulk hexagonal diamond with optimized bond lengths

• Scientists design superdiamonds with theoretically predicted hexagonal crystal structure

（首圖為示意圖，來源：pixabay）

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