搜狐科技《思想大爆炸——对话科学家》栏目第150期，对话郑州大学物理学院教授杨西贵。
嘉宾简介：
杨西贵，郑州大学物理学院教授，博士生导师，九三学社社员。国家优秀青年科学基金、河南省杰出青年科学基金、中国科协青年人才托举工程获得者，河南省高层次人才。一直从事金刚石材料与器件研究。
划重点：
1.六方金刚石的维氏硬度优于传统立方金刚石，还表现出更高的剪切模量与优异的热稳定性。
2.普通金刚石通过加入色心可以用于量子传感和信息处理，而六方金刚石具有六次对称性，如果未来能实现可控掺杂，有望提供一个全新的量子平台。
3.有时我们碰到反常现象可能会觉得是误差或者怀疑自己做错了，从而忽略掉了，但很多科学发现就是从反常开始的。
出品｜搜狐科技
作者｜周锦童
编辑｜杨锦
“钻石恒久远，一颗永流传”。
钻石，也就是金刚石，作为自然界最坚硬的物质之一，自古以来便象征着坚不可摧。但其实它的强度还能更上一层楼——就是理论上存在的“六方金刚石”，又称朗斯代尔石。
近日，郑州大学金刚石材料与器件研究团队成功合成毫米级大小的纯相六方金刚石块材，并精确解析了其晶体结构，揭示出全新的相变机制。相关研究成果发表在Nature上。
这一成果不仅向自然界最硬的物质发起了挑战，也为未来超硬材料的设计与应用开辟了新的可能。对此，搜狐科技对话了论文通讯作者——郑州大学物理学院杨西贵教授，听他分享六方金刚石的“奥秘”。
比钻石还硬的“六方金刚石”
杨西贵首先解释了六方金刚石和我们熟知的钻石，也就是普通立方金刚石的区别。
“通俗理解，它俩就像孪生兄弟一样，本质都是由碳原子组成的。立方金刚石属于立方晶系，晶胞呈立方体形状，三轴长度相等且互相垂直，轴角都是90°，而六方金刚石属于六方晶系，晶胞的a轴和b轴长度相等，但不等于c轴，a轴和b轴之间的夹角是120°。”
虽然早在1967年，六方金刚石就在陨石中被发现了，但有关六方金刚石的存在争议还是持续了很长时间，因为此前合成的产物中往往会混有立方金刚石或大量缺陷。
对此，杨西贵表示：“六方金刚石之所以难以单独制备，是它与立方金刚石的热力学稳定性不同。相比于能量低且稳定的立方金刚石，六方金刚石是一种亚稳相材料，能量状态更高。”
“我们都知道水往低处流，如果想让它往高处流就要施加外力，碳原子也是如此，它更倾向于排列成能量低的立方结构，如果想得到六方金刚石这种亚稳态，就不能让碳原子走那条通往立方结构的‘能量高速公路’，必须通过特殊的技术手段干预它转变路径，强制它们走上通往六方结构的‘崎岖小路’。”杨西贵举例道。
过去由于技术限制，人们无法精确控制这种动力学转变路径，所以很难获得纯净的六方金刚石样品。而之所以陨石撞击能保留六方结构，就是因为它在极短的瞬态过程将其“冻结”了。
于是，杨西贵所在的研究团队选择了取向高度一致的高定向热解石墨（HOPG）作为前驱体材料。在加压过程中，通过施加轴向力来控制其横向滑移的距离，避免过度滑移，促使石墨层原子键连形成六方结构。
不仅如此，他们还在不同温度和压力的条件下进行了测试，经过多次实验，最终才确定了20 GPa、1300-1900℃是最有利于石墨向六方结构转变的温压区间。
杨西贵称，六方金刚石的理论硬度比普通钻石高是基于完美模型的极限值，他们的实验数据表明，虽然它的维氏硬度确实比立方金刚石高，但并没有达到理论预测近60%那么高的数值。
除了硬度外，六方金刚石还表现出了更高的剪切模量与优异的热稳定性。
六方金刚石超越传统金刚石的硬度，可用于制造耐磨刀具、钻头等高端工具，延长工具寿命，未来应用在航空航天、半导体等领域的超精密加工。
不仅如此，六方金刚石在量子领域还有潜在的应用前景。
“普通金刚石中的氮空位（NV）色心是目前量子信息领域的‘明星’，而六方金刚石独特的晶体结构，有望为金刚石NV色心带来全新的可能性，我想这也是大家期待和努力的一个研究方向。”杨西贵如是说。
三支科研队伍的“硬核”接力
当杨西贵在实验数据中首次确认得到“结构完全纯净的六方金刚石相”的那一刻，他的心情既如释重负又充满惊喜。
“这种材料很长时间都没被成功获取，甚至有学者认为它是含缺陷的立方金刚石，可能根本不存在。我们经过这么多年的努力，终于证实它存在的时候，那一刻是如释重负的。”
不过，杨西贵称他们的论文在同行评议过程中，同期也有两项重要的工作出来。一是去年2月，吉林大学刘冰冰教授、姚明光教授团队成功合成高质量六方金刚石块材。他们不仅提供了六方金刚石独立存在的有力证据，也提供了一种六方金刚石人工合成的有效途径。
二是去年7月北京高压科学研究中心毛河光院士团队利用高纯度天然单晶石墨也成功制备出六方金刚石。
“虽然我们的研究今年3月才发表出来，但我觉得中国科学家接力做这个事情非常好，我们三个课题组互相独立，我们在尊重教科书权威的同时，也都保持了对科学的质疑精神。不过随之而来的是，我们现在也有如何推动六方金刚石实际应用的新压力。”杨西贵坦言。
在“反常”中开辟新路径
谈到这，我们不免发问：如何才能在一些传统领域中找到像“六方金刚石”这样的新突破口？
对此，杨西贵分享道：“高压领域的研究确实比较饱和，所以无论我们选择哪一个课题，一定要抓反常现象。有时我们碰到反常现象可能会觉得是误差或者怀疑自己做错了，从而忽略掉了，但很多科学发现就是从反常开始的。”
就像六方金刚石的发现一样，陨石样品的X射线衍射数据中主峰旁会出现不对称的弱小峰。既然碳有这么多同素异形体，sp1家族有碳链、碳环和石墨炔，sp2家族有石墨、石墨烯、富勒烯、碳纳米管，sp3家族的立方金刚石也应该有“兄弟姐妹”。
杨西贵关注到了这个反常，便开始了课题研究，虽然是“摸着石头过河”，但事实证明，确实如他所料，做出了有影响力的工作。
“二是要‘拓维度’，在传统的高温高压实验中，除了常规的静水压，我们还引入了单轴力、剪切力等新变量，打开新的研究空间；另外，还要‘拓边界’，比如突破现有高压设备的压力条件，向更高压力探索，在极端条件下去发现全新的现象。”
谈及未来六方金刚石真正走向工业应用还需要多久时，杨西贵认为这取决于具体方向。最接近应用的是磨料模具领域，目前两毫米的样品是可以尝试制作小型刀具的。
未来，他们会继续把现有样品尺寸“做大”，从毫米级提升到厘米级，希望五年内在切磨抛领域验证其应用潜力，争取初步应用。
另一方面他们还会继续追求“单晶化”，争取在十到二十年内能够有所突破，进而探索半导体、量子传感等高端领域应用。
“当然，这需要学界与产业界共同配合，因为超硬材料领域相对较小，只有大家合力才能把这个领域真正做起来。”杨西贵如是说。