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

嘉賓簡(jiǎn)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(guó)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(guó)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(guò)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(duì)稱性，如果未來(lái)能實(shí)現(xiàn)可控?fù)诫s，有望提供一個(gè)全新的量子平臺(tái)。

• 有時(shí)我們碰到反常現(xiàn)象可能會(huì)覺(jué)得是誤差或者懷疑自己做錯(cuò)了，從而忽略掉了，但很多科學(xué)發(fā)現(xiàn)就是從反常開(kāi)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(jiān)硬的物質(zhì)之一，自古以來(lái)便象征著堅(jiān)不可摧。但其實(shí)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(duì)成功合成毫米級(jí)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(lái)超硬材料的設(shè)計(jì)與應(yīng)用開(kāi)辟了新的可能。對(duì)此，搜狐科技對(duì)話了論文通訊作者——鄭州大學(xué)物理學(xué)院楊西貴教授，聽(tīng)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(zhǎng)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(zhǎng)度相等，但不等于c軸，a軸和b軸之間的夾角是120°。”

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(zhēng)議還是持續(xù)了很長(zhǎng)時(shí)間，因?yàn)榇饲昂铣傻漠a(chǎn)物中往往會(huì)混有立方金剛石或大量缺陷。

對(duì)此，楊西貴表示：“六方金剛石之所以難以單獨(dú)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。”

“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(guò)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(guò)去由于技術(shù)限制，人們無(wú)法精確控制這種動(dòng)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?yàn)樗跇O短的瞬態(tài)過(guò)程將其“凍結(jié)”了。

于是，楊西貴所在的研究團(tuán)隊(duì)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(guò)程中，通過(guò)施加軸向力來(lái)控制其橫向滑移的距離，避免過(guò)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(cè)試，經(jīng)過(guò)多次實(shí)驗(yàn)，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(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)表明，雖然它的維氏硬度確實(shí)比立方金剛石高，但并沒(méi)有達(dá)到理論預(yù)測(cè)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(zhǎng)工具壽命，未來(lái)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(dú)特的晶體結(jié)構(gòu)，有望為金剛石NV色心帶來(lái)全新的可能性，我想這也是大家期待和努力的一個(gè)研究方向。”楊西貴如是說(shuō)。

三支科研隊(duì)伍的“硬核”接力

當(dāng)楊西貴在實(shí)驗(yàn)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(zhǎng)時(shí)間都沒(méi)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(guò)這么多年的努力，終于證實(shí)它存在的時(shí)候，那一刻是如釋重負(fù)的。”

不過(guò)，楊西貴稱他們的論文在同行評(píng)議過(guò)程中，同期也有兩項(xiàng)重要的工作出來(lái)。一是去年2月，吉林大學(xué)劉冰冰教授、姚明光教授團(tuán)隊(duì)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(dú)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(duì)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(lái)，但我覺(jué)得中國(guó)科學(xué)家接力做這個(gè)事情非常好，我們?nèi)齻€(gè)課題組互相獨(dú)立，我們?cè)谧鹬亟炭茣?shū)權(quán)威的同時(shí)，也都保持了對(duì)科學(xué)的質(zhì)疑精神。不過(guò)隨之而來(lái)的是，我們現(xiàn)在也有如何推動(dòng)六方金剛石實(shí)際應(yīng)用的新壓力。”楊西貴坦言。

在“反常”中開(kāi)辟新路徑

談到這，我們不免發(fā)問(wèn)：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(duì)此，楊西貴分享道：“高壓領(lǐng)域的研究確實(shí)比較飽和，所以無(wú)論我們選擇哪一個(gè)課題，一定要抓反常現(xiàn)象。有時(shí)我們碰到反常現(xiàn)象可能會(huì)覺(jué)得是誤差或者懷疑自己做錯(cuò)了，從而忽略掉了，但很多科學(xué)發(fā)現(xiàn)就是從反常開(kāi)始的。”

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(huì)出現(xiàn)不對(duì)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(gè)反常，便開(kāi)始了課題研究，雖然是“摸著石頭過(guò)河”，但事實(shí)證明，確實(shí)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(shí)驗(yàn)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(kāi)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(lái)六方金剛石真正走向工業(yè)應(yīng)用還需要多久時(shí)，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(lái)，他們會(huì)繼續(xù)把現(xiàn)有樣品尺寸“做大”，從毫米級(jí)提升到厘米級(jí)，希望五年內(nèi)在切磨拋領(lǐng)域驗(yàn)證其應(yīng)用潛力，爭(zhēng)取初步應(yīng)用。

另一方面他們還會(huì)繼續(xù)追求“單晶化”，爭(zhēng)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?yàn)槌膊牧项I(lǐng)域相對(duì)較小，只有大家合力才能把這個(gè)領(lǐng)域真正做起來(lái)。”楊西貴如是說(shuō)。

運(yùn)營(yíng)編輯 |孟莎莎