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(xué)家》欄目第150期，對話鄭州大學(xué)物理學(xué)院教授楊西貴。

嘉賓簡介：

楊西貴，鄭州大學(xué)物理學(xué)院教授，博士生導(dǎo)師，九三學(xué)社社員。國家優(yōu)秀青年科學(xué)基金、河南省杰出青年科學(xué)基金、中國科協(xié)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(tǒng)立方金剛石，還表現(xiàn)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(xiàn)可控?fù)诫s，有望提供一個全新的量子平臺。

• 有時我們碰到反?，F(xiàn)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(xué)發(fā)現(xiàn)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(yuǎn)，一顆永流傳”。

鉆石，也就是金剛石，作為自然界最堅硬的物質(zhì)之一，自古以來便象征著堅不可摧。但其實它的強(qiáng)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(xué)金剛石材料與器件研究團(tuán)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(jié)構(gòu)，揭示出全新的相變機(jī)制。相關(guān)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(zhì)發(fā)起了挑戰(zhàn)，也為未來超硬材料的設(shè)計與應(yīng)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(xué)物理學(xué)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(zhì)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°?！?/p>

雖然早在1967年，六方金剛石就在隕石中被發(fā)現(xiàn)了，但有關(guān)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(chǎn)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(xué)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?！?/p>

“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(jié)構(gòu)，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(jié)構(gòu)的‘能量高速公路’，必須通過特殊的技術(shù)手段干預(yù)它轉(zhuǎn)變路徑，強(qiáng)制它們走上通往六方結(jié)構(gòu)的‘崎嶇小路’。”楊西貴舉例道。

過去由于技術(shù)限制，人們無法精確控制這種動力學(xué)轉(zhuǎn)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(jié)構(gòu)，就是因為它在極短的瞬態(tài)過程將其“凍結(jié)”了。

于是，楊西貴所在的研究團(tuán)隊選擇了取向高度一致的高定向熱解石墨（HOPG）作為前驅(qū)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(jié)構(gòu)。

不僅如此，他們還在不同溫度和壓力的條件下進(jìn)行了測試，經(jīng)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(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)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(shù)據(jù)表明，雖然它的維氏硬度確實比立方金剛石高，但并沒有達(dá)到理論預(yù)測近60%那么高的數(shù)值。

除了硬度外，六方金剛石還表現(xiàn)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(tǒng)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(yīng)用在航空航天、半導(dǎo)體等領(lǐng)域的超精密加工。

不僅如此，六方金剛石在量子領(lǐng)域還有潛在的應(yīng)用前景。

“普通金剛石中的氮空位（NV）色心是目前量子信息領(lǐng)域的‘明星’，而六方金剛石獨特的晶體結(jié)構(gòu)，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?！睏钗髻F如是說。

三支科研隊伍的“硬核”接力

當(dāng)楊西貴在實驗數(shù)據(jù)中首次確認(rèn)得到“結(jié)構(gòu)完全純凈的六方金剛石相”的那一刻，他的心情既如釋重負(fù)又充滿驚喜。

“這種材料很長時間都沒被成功獲取，甚至有學(xué)者認(rèn)為它是含缺陷的立方金剛石，可能根本不存在。我們經(jīng)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(fù)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(xué)劉冰冰教授、姚明光教授團(tuán)隊成功合成高質(zhì)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(jù)，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(xué)研究中心毛河光院士團(tuán)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(xué)家接力做這個事情非常好，我們?nèi)齻€課題組互相獨立，我們在尊重教科書權(quán)威的同時，也都保持了對科學(xué)的質(zhì)疑精神。不過隨之而來的是，我們現(xiàn)在也有如何推動六方金剛石實際應(yīng)用的新壓力。”楊西貴坦言。

在“反?！敝虚_辟新路徑

談到這，我們不免發(fā)問：如何才能在一些傳統(tǒng)領(lǐng)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(lǐng)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?，F(xiàn)象。有時我們碰到反?，F(xiàn)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(xué)發(fā)現(xiàn)就是從反常開始的?！?/p>

就像六方金剛石的發(fā)現(xiàn)一樣，隕石樣品的X射線衍射數(shù)據(jù)中主峰旁會出現(xiàn)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(yīng)該有“兄弟姐妹”。

楊西貴關(guān)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(tǒng)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(xiàn)有高壓設(shè)備的壓力條件，向更高壓力探索，在極端條件下去發(fā)現(xiàn)全新的現(xiàn)象。”

談及未來六方金剛石真正走向工業(yè)應(yīng)用還需要多久時，楊西貴認(rèn)為這取決于具體方向。最接近應(yīng)用的是磨料模具領(lǐng)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(xiàn)有樣品尺寸“做大”，從毫米級提升到厘米級，希望五年內(nèi)在切磨拋領(lǐng)域驗證其應(yīng)用潛力，爭取初步應(yīng)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(nèi)能夠有所突破，進(jìn)而探索半導(dǎo)體、量子傳感等高端領(lǐng)域應(yīng)用。

“當(dāng)然，這需要學(xué)界與產(chǎn)業(yè)界共同配合，因為超硬材料領(lǐng)域相對較小，只有大家合力才能把這個領(lǐng)域真正做起來?！睏钗髻F如是說。

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