科学家揭开奥秘高压石墨先形成后石墨相再生成六方金刚石

科学家通过原位高压实验和分子动力学模拟，搞清楚了石墨在超高压条件下变成六方金刚石的完整路径，石墨并不会直接一步转变成六方金刚石，而是先变成一种叫后石墨相的高压中间结构，再完成碳原子成键重排，最终形成六方金刚石。过去很长一段时间，大家都搞不懂为什么同样是石墨加压，有时候出来普通立方金刚石、有时候才能得到六方金刚石，核心原因就是没抓到这个中间相变环节，同时石墨原本 ABAB 堆叠结构能不能保住、层间会不会发生过度滑移，直接决定最后产物是六方金刚石还是常规金刚石。这套新机制也解释了陨石撞击环境里天然六方金刚石怎么诞生，给人工稳定合成高纯度六方金刚石提供了明确的控制思路，下面把两种金刚石对比、相变完整流程、关键控制条件、现存难点整理清楚。

一、六方金刚石和普通立方金刚石对比

二、高压石墨生成六方金刚石的相变步骤

1. 施加准单轴超高压：沿着石墨堆叠方向加压，控制侧向压力更低，保护石墨原生 ABAB 堆叠，不让层间大面积滑动。
2. 石墨转变为后石墨相：压力达到阈值之后，石墨层间距被压缩，层和层之间开始形成 sp³ 键，进入这个中间高压相，这一步是整个路径的核心。
3. 配合适度加热：用激光局部加温，温度不能太高，高温会引发长距离层滑移，直接走向立方金刚石。
4. 原子重排形核：后石墨相内部碳原子继续调整结构，保持六方堆叠秩序，开始长出六方金刚石晶核。
5. 晶体持续长大：在合适的压力、温度梯度条件下，晶核持续生长，最终得到六方金刚石样品。

三、决定产物是六方金刚石还是立方金刚石的关键条件清单

• 堆叠结构：石墨 ABAB 堆叠完好，容易走后石墨相路线生成六方金刚石；堆叠被打乱、褶皱变形，大概率生成立方金刚石。
• 滑移距离：短距离层间滑移，偏向六方金刚石；长距离滑移，更容易变成 ABC 堆叠的菱方石墨，再转为立方金刚石。
• 温度区间：温和温度适合六方金刚石；温度过高，势垒降低，层滑移失控，产物以立方金刚石为主。
• 应力模式：准单轴加压更容易保留下石墨原始堆叠；各个方向均匀静水高压，很难稳定拿到纯相六方金刚石。
• 温度梯度：激光加热带来的局部温差，有利于六方金刚石形核；整体均匀加热，六方金刚石产量很低。

四、当前研究赛道的现存瓶颈

1. 纯相大批量合成难度大，很多实验样品里面会混有立方金刚石杂质，很难做到高纯度、大尺寸。
2. 六方金刚石很多优异性能还处在理论预测阶段，大尺寸纯相样品太少，物性测试数据不足。
3. 合成设备门槛很高，金刚石对顶砧、大腔体单轴高压装置成本昂贵，很难快速工业化量产。
4. 长期稳定性还有待验证，六方金刚石在常压、常温环境下会不会慢慢相变，还需要更长周期观测。

【常见问题】

问题 1：高压石墨生成六方金刚石的机制，是不是石墨直接加压就能变成六方金刚石？

回答 1：不是，高压石墨生成六方金刚石的机制核心是先形成后石墨相这个中间结构，石墨不能直接一步变成六方金刚石，缺少这个中间相，更容易得到普通立方金刚石。

问题 2：高压石墨生成六方金刚石，为什么要控制石墨层间滑移？

回答 2：高压石墨生成六方金刚石依赖石墨原本 ABAB 堆叠结构，一旦发生长距离层间滑移，堆叠顺序就会变成 ABC，相变路径转向立方金刚石，想要得到六方金刚石，必须抑制过度滑移。

问题 3：六方金刚石就是陨石钻石吗，高压石墨生成六方金刚石的研究和陨石有什么关系？

回答 3：天然六方金刚石就是陨石撞击产生的陨石钻石，撞击带来的冲击高压，和实验室高压石墨生成六方金刚石的相变机制相通，这套机理可以解释陨石里面六方金刚石的形成过程。

问题 4：搞懂高压石墨生成六方金刚石机制之后，能不能马上大量生产六方金刚石？

回答 4：暂时还不行，虽然摸清了高压石墨生成六方金刚石的相变路径，但纯相、大尺寸合成工艺还不成熟，设备条件苛刻，距离规模化量产还有很长距离。

【参考资料】

[2026-07-29]（我国学者在金刚石研究领域取得进展）国家自然科学基金委员会

[2026-03-18]（比钻石还硬，中国科学家合成 “陨石钻石”）光明网

[2025-08-09]（我国科学家合成百微米级六方金刚石）人民日报

[2025-05-22]（物理学院唐虎教授团队在非平衡大腔体压机技术助力新型金刚石材料合成方面取得系列成果）吉林大学新闻中心

[2025-02-11]（Nature Materials｜吉林大学领衔，高压人工合成出陨石中的超级钻石 “六方金刚石”）吉林大学高压与超硬材料全国重点实验室

【免责声明】

本文围绕高压石墨先生成后石墨相再生成六方金刚石的科研成果整理，所有相变机理、实验条件来自公开学术论文与科研机构发布；六方金刚石属于前沿超硬材料，部分性能为理论预测，尚未完全工业化验证，本文内容仅做科研科普，不构成材料采购、项目投资建议。