近日，国际顶级期刊Nature在线发表题为“Bulk hexagonal diamond”的研究论文，报道了块体六方金刚石（Hexagonal Diamond, HD，又称Lonsdaleite）的成功合成与系统表征成果。该研究由郑州大学、南京大学等单位联合完成，主要通讯作者包括单崇新教授、程少博教授、孙建教授、杨西贵教授。

       这项工作直面一个持续近60年的科学争议：六方金刚石是否作为独立碳相真实存在。自1960年代在陨石中发现所谓“Lonsdaleite”以来，学界普遍认为其为金刚石的六方同质多形体，但长期以来缺乏“纯相、块体”实验证据。此前多项研究指出，所谓六方金刚石的结构特征，可能只是立方金刚石（CD）中存在层错或孪晶结构所导致的衍射假象。因此，能否合成高纯度、可回收、可系统测试的块体HD，成为验证其独立相存在的关键。

       研究团队选择高度取向热解石墨（HOPG）作为前驱体，在Kawai型大体积高压装置中，于约20 GPa压力、1300–1900°C温度窗口下进行压缩处理。通过在样品上下设置氧化铝垫片，实现沿石墨c轴方向的主单轴应力分量，从而抑制层间滑移，为六方堆垛的形成创造条件。最终获得直径约1.5 mm的毫米级块体样品。

       在结构验证方面，研究通过同步辐射XRD、原子分辨ADF-STEM、SAED、EELS、XPS和拉曼等多手段交叉表征，确认样品为P6₃/mmc空间群的纯六方结构。XRD特征峰与六方模型高度吻合，排除了立方金刚石层错或孪晶解释；原子分辨图像清晰呈现ABAB堆垛及沿[001]方向的六重对称空心碳环结构；EELS证实全部为sp³键合，密度约3.51 g/cm³。结果表明，样品为结构完整、相纯的块体六方金刚石。

       性能测试结果显示，块体HD轴向维氏硬度达114±6.4 GPa，杨氏模量1229±15 GPa，剪切模量516±18 GPa，整体刚度与硬度略高于对比的天然立方金刚石样品；同时具有较高的氧化起始温度，展现出优异的热稳定性。这些特性使HD在高温、高压环境下的工业应用（如钻探工具或电子器件）具有巨大潜力。

       总体而言，该研究首次实现了可回收、相纯、毫米级块体六方金刚石的可控合成，并通过严谨的结构与性能表征，实验证实了HD作为独立碳相的存在，回应了长期争议。其成果不仅深化了对石墨–金刚石相变机制的理解，也为未来在超硬材料、极端环境材料及地学研究中的应用探索提供了新的材料平台。

       图文导读

图1 | 石墨的XRD图谱与P–T相图。

图2 | 从20 GPa和1,300 °C条件下回收的块状HD的原子结构。

图3 | 基于机器学习势能的大规模分子动力学模拟，展示HOPG向HD的相变过程。

图4 | 块状HD的机械和热学性能