科学家成功合成陨石钻石，硬度超地球钻石50%！

科学家们创造了第一种较大规模的陨石钻石——也称为伦斯代尔石或六方钻石——这种材料被预测比地球上常见的钻石还要硬。

这种高压高温技术制造出了这种超硬钻石的小圆盘，科学家们在7月30日的《自然》期刊上报告，这种材料最终可能会在钻探工具和电子产品等应用中取代传统钻石。

钻石是世界上最硬的天然物质。每个碳原子在无限重复的分子结构中与其他碳原子形成四个相等长度的键，每个键之间的角度为109.5度，从而形成无尽的完美四面体。从侧面看，这种结构似乎有三层重复的碳原子（标记为A、B和C），这使得钻石具有晶体学家所称的面心立方晶体结构。

然而，在1960年代，科学家们提出了一种略微不同的钻石结构，随后在大约50000年前坠毁于亚利桑那州沙漠的迪亚布罗峡谷陨石中发现了这种结构的小型杂质晶体。

与立方体钻石不同，这种形式包含两种不同的键长（化学键的长度）——一种比普通钻石稍长，另一种稍短。碳原子依然排列成无尽的四面体平面。不过这次，从侧面看，结构只包含两个重复的层（分别标记为A和B）。碳层的这种轻微位移使陨石中的钻石具有六角形结构，科学家们推测这应该使固体的硬度提高58%。

不过，准备足够大的六角形结构样本进行分析一直是个挑战。此外，原始陨石样本中还存在其他形式的碳污染物——比如石墨、立方体钻石和无定形碳——这让很多人怀疑六角形钻石是否真的存在。

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受到迪亚布罗峡谷陨石碎片的启发，杨文杰及其在北京高压科学与技术先进研究中心的同事们，试图在实验室中重现与地球碰撞时的极端条件，开发了一种高压高温的合成方法，使用金刚石压砧，这是一种将样品夹在两个平坦的金刚石表面之间的设备。从另一种形式的碳——纯化石墨开始，他们缓慢而小心地压缩材料，用激光的定向加热固定位移的原子。

杨在给《生活科学》发的电子邮件中表示：“在约20 GPa（200,000个大气压）的压力下，石墨的平坦碳层被迫滑动并与相邻层结合在一起，形成了六方金刚石特有的弯曲碳蜂窝结构。”他说：“激光加热超过1400°C [2552华氏度] 促进了这一转变。”一旦这些扭曲的六方金刚石四面体形成，团队就缓慢释放压力，确保新晶体不会自发转回石墨。

然后，团队使用先进的技术观察晶体结构，以确认他们的成果。尽管晶体盘仍然有些杂质，含有随机的立方金刚石碎片，但电子显微镜图像清晰显示了其AB碳层，而X射线晶体学则揭示了六方结构。

“这是一个很好的初步展示，”来自英国卡迪夫大学的物理学家Soumen Mandal说道，但他并未参与这项研究。“现在我们需要纯晶体和更多材料来开始探索它的物理和机械特性、热特性、电特性，所有这些。”

根据研究，硬度测试通常需要比杨团队生产的样本更大的样本量。然而，他们确实确认新材料至少与普通钻石一样坚固，杨希望后续对更大、更纯的晶体进行实验，能很快提供一个具体的答案。

这个团队最终希望六方钻石能开始取代传统钻石在工业技术中的应用，如精密机械、高性能电子、量子技术和热管理系统技术，不过这些应用可能还需要10年才能实现。

“展望未来，我们的目标是生产更大、更高质量的六角钻石样品，以满足实际应用的需求，”他说。“这些努力将有助于根据特定应用量身定制六角钻石的特性，并为其在工业上的应用铺平道路。”