「超級鑽石」誕生！中國實驗室成功合成全球最硬材料

在地球深處，當碳元素經歷極端高溫與高壓的考驗，便會結晶形成鑽石——這種自然界中最堅硬的礦物（雖然未必是最堅韌的）。在鑽石的結構中，每個碳原子都以四面體的形式與其他四個碳原子鍵結。然而，在特定條件下，碳原子也能以六角形排列，形成一種更為堅固的材料，稱為「朗斯代爾石」。

朗斯代爾石的存在，最早要歸功於一次隕石撞擊事件。1891年，科學家在美國亞利桑那州的「惡魔峽谷」隕石中發現了「堅硬顆粒」。到了1939年，這些顆粒被證實是鑽石、石墨以及一種前所未見的新物質的混合物，後者被命名為「朗斯代爾石」，以紀念晶體學家凱瑟琳·朗斯代爾教授。

起初，科學家認為這種特殊材料是六角結構的鑽石，而非我們熟悉的立方鑽石。然而，2022年，一支研究團隊在分析隕石樣本時發現，這些樣本是由奈米結構的六角形與立方鑽石組成，中間還夾雜著類似石墨烯的生長結構。嚴格來說，這種樣本屬於「雙相礦物」，即兩種礦物同時生長，導致晶體結構中充滿了堆疊「錯誤」。

「證據顯示，這些『鑽石』是由初始石墨經過衝擊壓縮形成的，」研究團隊在論文中寫道。「拉曼光譜分析顯示，某些顆粒的區域性區域出現了立方鑽石的特徵尖峰，這表明在衝擊事件中，這些區域達到了足夠高的溫度，完成了熱力學轉變。」

除了隕石撞擊能產生如此巨大的力量，形成六角鑽石這一令人驚嘆的事實外，這也讓科學家看到了人工合成這種材料的可能性。「由於朗斯代爾石可能具有更優異的機械效能與迷人的結構，它在材料科學領域也引起了廣泛的研究興趣，」研究團隊在論文中解釋。「理論計算顯示，六角鑽石（HD）甚至可能超越立方鑽石（CD），後者是目前自然界中已知最硬且最難壓縮的材料。」

過去，研究人員曾嘗試利用衝擊壓縮技術模擬自然條件來合成這種「超級鑽石」，但過程中往往產生大量石墨與普通鑽石。在這項新研究中，團隊透過調整壓力與溫度，最佳化了朗斯代爾石的生產條件。

「理論計算顯示，立方鑽石的總能量略低於六角鑽石，且當以石墨為前驅物時，石墨直接轉變為立方鑽石的能量障礙略低於轉變為六角鑽石的過程，因此立方鑽石通常是主要產物，」研究團隊在論文中解釋。「為了克服這些不利於六角鑽石生長的因素，我們透過中間相石墨階段來合成六角鑽石。在這個過程中，層間鍵結可能鎖定壓縮石墨中的近AB堆疊，並在高溫刺激下阻止層的進一步滑動，從而促進六角鑽石的形成。我們的實驗與模擬結果均表明，除了形成中間相石墨階段外，溫度梯度的存在也對六角鑽石的合成至關重要。」

除了可能為新型超導體鋪路，以及能夠承受比鑽石高出約58%的應力外，在實驗室中合成這種材料還能幫助我們瞭解天然朗斯代爾石的形成過程。「例如，天然朗斯代爾石在地球上極為罕見，因為行星內部很少能提供合適的條件，」研究團隊總結道。「更重要的是，六角鑽石優異的熱穩定性與超高硬度，顯示其在工業應用中的巨大潛力，為這種非凡材料提供了廣闊的發展機會。」

這項研究已發表於《自然材料》期刊。