Kinesiske forskere har med succes syntetiseret hexagonal diamant med en størrelse på 100 mikrometer

Efter næsten ti års kontinuerlig forskning har det internationale forskerteam af Beijing High Voltage Science Research Center og Xi'an Institute of Optics and Fine Mechanics, Chinese Academy of Sciences, gjort et stort gennembrud. Forskere har med succes omdannet grafit-krystalforløber af høj kvalitet til hexagonal diamant på mikrometerniveau, og denne præstation blev offentliggjort i den internationalt autoritative tidsskrift Nature den 30 ..

 

Hexagonal diamant Udstiller mekaniske egenskaber, der kan sammenlignes med kubisk diamant. I modsætning til kubiske diamanter med kun en enkelt carbon carbon -bindingslængde, udviser hexagonale diamanter to forskellige bindingslængdefordelingskarakteristika. Det rapporteres, at mellemlagsafstanden forkortes signifikant, og denne unikke stablingsmetode til carbonatomer kan effektivt overvinde den iboende svaghed ved at glide på den tætte stablingsoverflade af kubisk diamant.

 

Syntesen af hexagonal diamant har altid været en stor udfordring i det videnskabelige samfund. Allerede i 1967 opdagede amerikanske forskere først denne sjældne "Super Diamond" i et meteoritkrater, der tiltrækkede meget opmærksomhed på grund af dets hexagonale krystalstruktur. Imidlertid er dannelsesbetingelserne for hexagonale diamanter ekstremt strenge, og tidligere kunne de kun sameksistere med meteoritter ved nanoskalaen.

 

Forskningsteamet designet innovativt en høj-temperatur og højtryks-eksperimentel plan. Forskere har udført in-situ-forskning på de strukturelle ændringer af grafit under ultrahøjt tryk og høje temperaturforhold ved hjælp af laseropvarmet diamantanvil-teknologi. Eksperimenter har fundet, at grafit danner en "postgrafitfase" højtryksstruktur i højtryksområdet, og derefter opnås hexagonal diamant med succes gennem lokal opvarmning.

 

På samme tid kombinerede forskerteamet storstilet molekylær dynamik-teori-simuleringer for at afsløre den afgørende rolle, som grafitlags stablingskonfiguration i dannelsen af hexagonale diamantstrukturer. Denne opdagelse bekræfter en ny vej for grafit til at danne hexagonal diamant gennem postgrafitfase, der åbner nye teknologiske retninger til fremstilling af superhardmaterialer.

 

Eksperimentelle data viser, at den syntetiserede hexagonale diamant har en hårdhed på op til 155 GPa, hvilket overskrider naturlig diamant med mere end 40%. I et vakuummiljø kan dens termiske stabilitet nå 1100 grader, hvilket er markant bedre end 900 graders ydeevne for nanodiamanter. Disse fremragende fysiske egenskaber gør hexagonal diamant udviser stort potentiale i industrielle anvendelser.

 

Denne systematiske undersøgelse sluttede over 60 års akademisk kontrovers vedrørende den makroskopiske eksistens af hexagonale diamanter. Forskningsresultaterne giver ikke kun stærke beviser for den uafhængige eksistens af hexagonal diamant, men lægger også et solidt fundament for dens udvikling som en ny generation af funktionelle materialer med højtydende. Dette gennembrud forventes at drive teknologisk innovation inden for superhardmaterialer og injicere ny drivkraft i udviklingen af beslægtede industrier.

 

Hvad erHexagonal Diamond?

Hexagonal Diamond (HD), også kaldet Lonsdaleite, er en hexagonal allotrope af kulstof, hvor hvert carbonatom er sp³-hybridiseret og tetrahedralt bundet til fire naboer, der danner en tredimensionel covalent ramme. Først forudsagt i 1962 og identificeret i 1967 i meteoritisk materiale fra Canyon Diablo (Arizona), blev det opkaldt efter krystallograf Kathleen Lonsdale. I årtier var der kun nanoskalafragmenter eller forstyrrede sammenvækster tilgængelige, så dens eksistens som en tydelig fase og dens iboende egenskaber forblev kontroversielle. I 2025 ledet af professor Ho-Kwang (Dave) Mao ved Center for High Pressure Science & Technology Advanced Research syntetiseret millimetre-størrelse, stærkt ordnet enfase-lonsdaleit ved at komprimere og opvarme højkvalitetsgrafit-enkeltkrystaller under kontrollerede kvasi-hydrostatiske tryk. Elektronmikroskopi afslørede direkte omdannelse af grafit (1010) til HD (0002) og grafit (0002) til HD (1010). De resulterende prøver er næsten rene lonsdaleit med kun sporing af kubikdiamondsdefekter og udviser en hårdhed, der lidt overstiger den for kubikdiamant.

 

Hvordan adskiller Lonsdaleite sig fra kubikdiamant?

Lonsdaleite (hexagonal diamant) adskiller sig fra kubikdiamant på fire nøgle måder:

1 krystalsymmetri og stabling
• Lonsdaleite: Hexagonal gitter, pladegruppe P6₃/MMC; De SP³-bundne kulstoflag er stablet i en AB-Ab-sekvens langs C-aksen.
• Cubic Diamond: Face-centreret kubikgitter, pladegruppe FD-3M; Lag følger en ABC-ABC-sekvens.

 

2 gitterparametre
• Lonsdaleite: A ≈ 2,51 Å, C ≈ 4,12 Å.
• Cubic Diamond: A=3.5668 Å.

 

3 stabilitet og energi
• Lonsdaleite er ~ 0,025 eV pr. Atom højere i energi end kubikdiamant, hvilket gør det metastabelt.

 

4 Mekaniske egenskaber
• Teori og nylig mm-skala enkeltkrystallsynteser angiver lonsdaleite er lidt hårdere (indrykkemodstand ~ 152 GPA, 58 %

hårdere på {0001} planet vs diamant {111}).
• Kubisk diamant forbliver benchmark for hårdhed (MOHS 10) og syntetiseres lettere i bulkform.

 

Følgelig giver Lonsdaleites hexagonale stabling og lidt længere bindingsgeometri det marginalt overlegen teoretisk hårdhed, mens kubikdiamant tilbyder større termodynamisk stabilitet og let produktion.