要點:
中國科研團隊成功合成出硬度比天然鑽石高40%的“超級鑽石”，為全球鑽石產業帶來革命性突破，預示着鑽石技朮的新時代到來。
說到鑽石（也被稱為金剛石），大家通常會想到它是戒指裝飾的首選，代表真愛的“一顆永流傳”。但實際上，得益於其天生的硬度，鑽石在工業上也有着廣泛的應用。
早在1967年，美國亞利桑那州Diablo峽谷的隕石中首次發現了一種超硬鑽石“朗斯代爾石”/Lonsdaleite，也被稱為六方鑽石，它獨特的晶體結搆賦予了它超凡的硬度。但由於高溫高壓下六方鑽石的形成能壘高於立方鑽石，因此經過半個多世紀的努力，純相的人工合成六方鑽石一直未能實現。
隨着科技的不斷進步，中國的科研力量正在逐步改變這一局面。近期，中國的研究團隊成功合成了一種罕見的“超硬鑽石”，擁有極高的硬度和獨特的物理特性。這一突破性成果標志着中國在鑽石技朮領域的重大進展，也為全球鑽石產業帶來了前所未有的變革機會。
六方鑽石：從隕石撞擊下形成
六方鑽石，是一種特殊的鑽石。它的晶體結搆不同於傳統鑽石的立方晶格，而是六方晶格。六方鑽石通常呈半透明的棕黃色，折射率在2.40到2.41之間，密度在3.2到3.3之間。這種物質是碳的另一種形態，通常在自然界中的隕石碎片中找到。當地球上的流星撞擊地面時，由於巨大的熱量和壓力，流星中的石墨會轉化成鑽石，但保持了石墨原本的六方晶格結搆。
六方鑽石和立方鑽石的主要區別在於它們的晶體結搆。立方鑽石的碳原子以立方晶體結搆排列，這是我們在自然界中常見的鑽石形式。而六方鑽石的碳原子則以六方晶體結搆排列，這種結搆通常在隕石撞擊等極端的高壓高溫環境下形成。
除了從天然隕石中提取，六方鑽石還可以通過實驗室合成
早在1966年或更早，科學家們就已經通過在靜態壓機中或使用炸藥加熱石墨，成功地人工制造出了這種特殊的鑽石。除了在實驗室使用靜態壓機或炸藥加壓加熱石墨的方法外，還可以通過化學氣相沉積法來制造六方碳烯石，或者在常壓的氬氣環境中，通過加熱到1000°C (1832°F)，利用氫炔碳烯分解來合成六方碳烯。
2020年，澳大利亞國立大學的研究人員偶然發現，他們能夠通過使用鑽石壓砧，在室溫下成功制造六方硅石。到了2021年，華盛頓州立大學沖擊物理研究所發布了一項研究成果，稱他們成功制造出了足夠大的六方鑽石晶體，并且能夠測量其硬度。研究證明，這些六方鑽石比普通的立方鑽石更硬。不過，由於制作這些晶體時需要用到爆炸，晶體會在几納秒后被摧毀，只有短短的時間能用激光測量其硬度。
而近日，中國科研團隊發現了高溫高壓下石墨經由后石墨相形成六方鑽石的全新路徑，并“首次”合成出高質量六方鑽石塊材，發現其具有高出立方鑽石的極高硬度和良好的熱穩定性。
“超級鑽石”：比天然鑽石硬40%
2月10日，中國吉林大學高壓與超硬材料重點實驗室、綜合極端條件高壓科學中心的劉冰冰教授和姚明光教授團隊與中山大學朱升財教授等合作，在“Nature Materials”期刊上發表了題為“General Approach for Synthesizing Hexagonal Diamond by Heating Post-Graphite Phases”的重要研究論文，揭示了在高溫高壓條件下，石墨通過“后石墨相”轉變為六方鑽石的全新合成路徑，并首次成功合成出高質量六方鑽石塊材。
通過化學氣相沉積法/CVD，他們在真空條件下精確控制碳原子的排列，使鑽石晶體的生長速度提高了3倍，成本降低至天然鑽石的1/5。研究發現，這種六方鑽石的硬度高於立方鑽石，并具備優異的熱穩定性。
這一突破性的研究成果表明，這種鑽石可能在多個關鍵領域得到應用，尤其是在切割、拋光等行業中。雖然大多數天然和人造鑽石呈立方結搆，但這種超硬鑽石，俗稱“朗斯代爾石/lonsdaleite”，則具有六邊形晶體結搆。
該研究團隊長期致力於超高壓下碳及相關材料的實驗研究，取得了多項常規條件下難以實現的新結搆和新性質
中，團隊探索了剪切力對石墨在高壓下結搆變化的影。這一發現啟發團隊在研究六方金剛石的人工合成時，認為高壓相結搆可能是關鍵。鑒於隕石鑽石的形成過程中不僅涉及超高壓，還有高溫條件，團隊設計了精巧的高溫高壓實驗。在50GPa的超高壓下，團隊利用激光加熱金剛石對頂砧技朮，成功研究了石墨的結搆變化規律，發現石墨在高壓條件下會轉變為一種“后石墨相”結搆，并通過局部加熱成功獲得了六方金剛石。結合大規模分子動力學模擬，研究揭示了石墨層堆疊結搆對六方金剛石形成的關鍵作用，驗證了石墨通過“后石墨相”轉變為六方金剛石的新路徑。此外，團隊還自主研發了大腔體超高壓實驗技朮，針對大腔體壓機尺寸與壓力極限之間的矛盾問題，開發了新型國產碳化鎢壓砧和超高壓組裝體，使得在高溫條件下能夠實現40GPa超高壓，突破了原有壓力極限的60%。這一技朮進步為大規模高溫高壓材料的制備提供了支持。針對六方金剛石塊體的高壓合成，團隊在超高壓組裝體中巧妙地引入了不同熱導率的高硬度材料，通過高壓下溫度梯度的產生，模擬了金剛石對頂砧實驗中的高溫高壓條件。在30GPa、1400℃的條件下，成功合成了毫米級高取向六方金剛石塊材。研究發現，六方金剛石的硬度達到155±9GPa，超過天然金剛石40%以上，其在真空環境下的熱穩定性可達到1100℃，明顯優於納米金剛石的900℃。
超硬材料：迎來技朮突破與產業機遇
隨着制造業不斷升級和下游產業需求的增長，作為關鍵原材料的超硬材料需求持續攀升，尤其是在新能源、航空航天等戰略性新興產業中，市場潛力巨大。數據顯示，2023年中國超硬材料總產值達到147.8億元，預計到2025年這一數字將增至171.5億元。
目前，中國在全球超硬材料市場中處於主導地位，產業規模龐大，制備技朮和裝備先進，產業鏈條完善，國際競爭力強。在傳統工業領域，人造金剛石的產量長期占據全球市場的90%以上，形成了“中國制造、全球使用”的格局，具備了強大的市場話語權。
2024年，北京大學東莞光電研究院宣布最新研究成果，團隊成功開發出能夠批量生產大尺寸超光滑柔性金剛石薄膜的新方法，為金剛石薄膜在電子、光學等領域的應用開辟了新的可能性。該研究成果於12月18日在國際頂級學朮期刊“Nature”上發表。
在上市公司方面，力量鑽石、黃河旋風、惠丰鑽石、國機精工、中兵紅箭、四方達、沃爾德等人造金剛石企業紛紛加大技朮創新和研發投入。其中，力量鑽石是中國超硬材料的主要供應商之一，作為人造金剛石行業的代表企業，目前已經將金剛石產品應用於半導體產業鏈。
2025年1月，力量鑽石的半導體高功率散熱片金剛石功能材料研發制造項目正式投產，項目建設了高標准的金剛石半導體研發中心，并購置了國際先進設備，重點攻關“散熱+導熱”技朮。
同月，四方達控股子公司河南天璇半導體科技有限公司與深圳市匯芯通信技朮有限公司簽署戰略合作協議，雙方將共同設立聯合實驗室，圍繞CVD金剛石在通信中高頻器件應用領域展開多方面合作。
2月，寧波大學官方消息稱，經過三年的努力，寧波大學物理科學與技朮學院的潘益龍研究員與燕山大學高壓科學中心的田永君院士團隊，以及南京理工大學的研究人員，在超硬材料領域取得了重大突破，成功合成了硬度達到276 GPa的超細納米孿晶金剛石塊材。此次成果刷新了金剛石硬度的世界紀錄，相關研究成果已在線發表於“Nature Synthesis”。
四方達近年來在超硬材料領域持續深耕，并以“1+N行業（下游行業）格局”為戰略核心，積極布局多個應用領域。公司已經形成了以復合超硬材料為核心、精密金剛石工具和CVD金剛石為新業務增長點的戰略產品體系。
而近日，吉林大學與中山大學的合作，更是將超硬材料推向新的高度。這一系列突破不僅展示了中國在超硬材料領域的強大科研實力，也為全球材料科技帶來了前所未有的機遇。
隨着六方鑽石等新型超硬材料的合成技朮逐漸成熟，未來我們將看到這些材料在航空航天、電子、能源等多個高科技領域的廣泛應用，進一步推動相關產業的創新發展。而這些技朮進步也將為全球鑽石產業帶來新的商業模式和競爭格局，不僅改變人們對鑽石的傳統認知，更為未來的工業制造和科技發展奠定了更加堅實的基礎。
