摘要：1955年，Bundy等人在Nature上发表了题为“Man‑Made Diamonds”的开创性论文[1]，首次向世人宣布他们在高压高温条件下将石墨成功转化为钻石（也称“金刚石”），标志着人造钻石工业时代的正式开启。从此，钻石不再只是亿万年地质变迁的产物，而
1955年，Bundy等人在Nature 上发表了题为“Man‑Made Diamonds”的开创性论文[1]，首次向世人宣布他们在高压高温条件下将石墨成功转化为钻石（也称“金刚石”），标志着人造钻石工业时代的正式开启。从此，钻石不再只是亿万年地质变迁的产物，而是可在实验室中“按需制造”的材料。
天然钻石诞生于地球深处，需要大约5-6 GPa的高压和1,200-1,700 K的高温，往往要经历数十亿年的漫长形成过程。它不仅因晶莹璀璨和稀有难得被视为“永恒的象征”，更凭借卓越的硬度与化学稳定性，在工业与科技领域发挥着重要作用。早在1797年，Tennant通过燃烧法，证明钻石仅由碳元素组成 [2]，此后科学家们一直尝试通过各种含碳物质来合成钻石。
碳相图揭示了天然钻石与人造钻石形成所需的压力和温度条件。图片来源：Rev. Mineral. Geochem. [3]
19世纪末，苏格兰化学家James Hannay就宣称在炽热的铁管中压缩碳氢化合物可生成钻石 [4]；随后，法国化学家Henri Moissan尝试将木炭溶解于熔融铁中，然后快速冷却以获得钻石 [5]。1917年，Otto Ruff更是声称制造出了直径达7毫米的人造钻石，但不久后他便撤回了这一结论 [6]。这些早期实验尽管引起广泛关注，但由于无法被其他实验者重复验证，最终都未被科学界认可 [7]。
人造钻石。图片来源：GIA
Bundy及其同事认为，此前的失败主要源于实验设备无法提供足够的压力。他们提出解决方案：采用活塞推动圆筒的加压设计，开发出一种能够在几小时内维持约10 GPa压力并达到2,300 K以上高温的装置。经过四年的不断试验，他们终于成功合成出人造钻石，并重复实验100多次。此后，其他研究者迅速跟进，提出“多砧同步加压”技术，即在规则多面体样品腔体的每个面上安装一组对称砧座，实现对样品的全方位同步压缩。这一设计大幅提升了实验可达的压力上限。各种类型的压力机也在不断演化升级，为高温高压法制备人造钻石的技术奠定了基础。
主要压力机设备：（1）带式压机，（2）环形压机，（3）棒状压机，（4）立方体压机。图片来源：Mater. Des. [8]
高压技术的发展也为探索新型钻石晶体结构打开了大门。近日，北京高压科学研究中心毛河光院士与杨文革研究员课题组携手中国科学院西安光学精密机械研究所罗端研究员课题组在Nature 杂志上发表论文，首次利用高质量单晶石墨成功合成并在常压下回收了块体六方金刚石。这一工作不仅证实了六方金刚石作为真实晶体相的存在，还对其光学与力学性能进行了系统表征，为开发潜在超高性能碳材料奠定了基础。
高压高温下合成六方金刚石。图片来源：Nature
最常见的金刚石晶体多为面心立方结构，每个碳原子与四个相邻碳原子构成正四面体构型。而六方金刚石在60多年前被理论预测，曾在Canyon Diablo陨石中被发现，并以著名晶体学家Kathleen Lonsdale命名为“Lonsdaleite”。然而，过去数十年里，科研界始终未能获得纯净的块体六方金刚石样品，主要原因是它无法在常压下稳定存在，难以回收并进行后续研究，甚至一度出现了关于六方金刚石是否真实稳定存在的争议。
研究者采用金刚石对顶砧装置，利用氖气作为压强传递介质，对石墨单晶施加高达13.2 GPa的压力。原位X射线衍射（XRD）测试显示出典型的六方单晶衍射图样。随着压力进一步升高至20.0 GPa，衍射图样中外圈膨胀、内圈收缩，表明石墨晶体结构已发生根本转变，转化为一种新型碳相。然而，仅靠加压无法稳定该结构，研究人员通过激光加热至1400 °C后缓慢降压，成功在常压下回收该相。XRD数据显示，所有衍射峰均可归属为六方金刚石结构，透射电镜（TEM）进一步证实样品中几乎不含立方金刚石，仅有极少量掺杂。
六方金刚石结构标准。图片来源：Nature
后续的电子能量损失谱（EELS）等分析表明，六方金刚石的形成过程可理解为石墨中平整的蜂窝状sp2碳层向隆起状的sp3结构转变，最终所有π键均转化为σ键，形成一种起伏有序的结构。该结构中存在两种不同的键长，层内C–C键长为1.58 Å，层间键长更短为1.50 Å，这种键长增强了层间结合力，相较于立方金刚石结构更加稳固。
研究者进一步在20.0 GPa、1800 °C条件下，成功制备出直径约1 mm的六方金刚石样品，并开展维氏硬度测试。结果显示，其硬度可媲美甚至略优于天然立方金刚石。如果能完全去除其中微量的立方金刚石杂质，六方金刚石的力学性能或将突破现有记录，接近理论预测的极限值。
六方金刚石优异的力学性能。图片来源：Nature
从最初的“硬度之王”到如今的多功能材料，钻石的应用早已超越了珠宝与切割工具。更令人期待的是，钻石有望在核聚变、量子计算以及放射性电池等未来技术中扮演关键角色 [7]。自Bundy等人70年前首次合成钻石以来，关于钻石的故事，一直闪耀夺目。
Synthesis of bulk hexagonal diamond
Liuxiang Yang, Kah Chun Lau, Zhidan Zeng, Dongzhou Zhang, Hu Tang, Bingmin Yan, Guoliang Niu, Huiyang Gou, Yanping Yang, Wenge Yang, Duan Luo & Ho-kwang Mao
Nature 2025, DOI: 10.1038/s41586-025-09343-x
参考文献：
[1] F. Bundy, et al. Man-Made Diamonds. Nature 1955, 176, 51-55. DOI: 10.1038/176051a0
[2] S. Tennant, On the nature of the diamond. Phil. Trans. R. Soc. Lond. 1797, 87, 123-127. DOI: 10.1098/rstl.1797.0005
[3] U. F. S. D’Haenens-Johansson, et al. Synthesis of diamonds and their identification. Rev. Mineral. Geochem.2022, 88.1, 689-753. DOI: 10.2138/rmg.2022.88.13
[4] J. Hannay, Artificial Diamonds. Nature 1880, 22, 241. DOI: 10.1038/022241b0
[5] A Monument to Henri Moissan. Nature 1931, 128, 679. DOI: 10.1038/128679a0
[6] O. Ruff, Über die Bildung von Diamanten. Z. Anorg. Allg. Chem. 1917, 99, 73-104. DOI: 10.1002/zaac.19170990109
[7] B. Liu, Artificial diamonds are forever: 70 years of synthesizing these iconic gems. Nature 2025, 643, 1197-1199. DOI: 10.1038/d41586-025-02133-5
[8] J. Zhang, et al., A review of diamond synthesis, modification technology, and cutting tool application in ultra-precision machining. Mater. Des. 2024, 237, 112577. DOI: 10.1016/j.matdes.2023.112577
（本文由小希供稿）
来源：X一MOL资讯
