鑽石以其堅不可摧的互鎖立方碳晶格而聞名，傳統上被認為是地球上最堅硬的材料。然而，一種名為六方晶系鑽石的稀有鑽石形式——一種碳原子排列成彎曲三維六邊形的晶體——可能比其立方晶系的表親還要堅硬。
迄今為止，天然六方晶系鑽石僅在隕石坑中被發現，它是隕石撞擊地球的強大壓力形成的。但現在研究人員表示，他們已經發現了在數十億年前形成的六方晶系鑽石晶體，那時攜帶它們的隕石還未到達地球。如果該團隊關於晶體形成的理論是正確的，那麼它的發現可能會為科學家提供一種在地球上製造這種超硬物質的更好方法。
在一項本月發表在《美國國家科學院院刊》(Proceedings of the National Academy of Sciences USA)上的研究中，主要來自澳大利亞的研究團隊檢查了來自一個被稱為“橄輝無球粒隕石”家族的18個不同的隕石樣本。由於橄輝無球粒隕石的化學成分相對均勻——碳含量異常豐富——科學家們推測它們起源於同一個母體。
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“就在我們太陽系開始之後不久——大約45億年前——有一顆矮行星，這顆行星受到了小行星的撞擊，”澳大利亞皇家墨爾本理工大學應用物理學研究生、新研究的合著者艾倫·薩萊克說。他補充說，這場災難性的撞擊撕裂了這顆矮行星，引發了一場化學反應，這場反應可能將這顆行星的石墨碎片變成了六方晶系鑽石。
石墨由以六邊形結合在一起的扁平碳原子層構成。這些堆疊層之間的吸引力很弱，相對容易拉開。在地球上，高溫和高壓可以將這些碳原子重新排列成立方體的三維晶格，從而產生傳統的鑽石。但是，短暫的極端高壓時期——例如隕石撞擊——可以保留石墨最初的六邊形排列，同時其層結合成六方晶系鑽石的強大三維晶格。
研究人員提出，這些樣本不是透過已知在地球上產生微小六方晶系鑽石晶體的快速衝擊壓力形成的，而是透過快速釋放壓力形成的。他們聲稱，碳、氫、氧和硫的流體混合物在矮行星的地幔中被加熱和加壓，直到小行星撞擊將地幔砸成碎片。研究合著者、澳大利亞莫納什大學的地質學家安德魯·湯姆金斯說，快速減壓的化學物質混合物可能與矮行星的石墨相互作用，將其轉化為六方晶系鑽石。
在這種特殊的反應中，石墨晶體基本上會被撕裂並重建為六方晶系鑽石。“這被稱為‘耦合溶解-再沉澱’，因為它有點像在溶解這種東西，同時又在替換它，”湯姆金斯說。這種流體驅動的反應發生在矮行星的碎塊飛向太空的過程中。就像來自氪星的逃生艙一樣，這些碎塊最終將它們珍貴的貨物一直帶到了地球。
研究人員透過對其18個橄輝無球粒隕石樣本的細緻分析，得出了這個六方晶系鑽石的起源故事。湯姆金斯解釋說，這些隕石礦物的結構表明了一個快速冷卻過程，這指向了一場劇烈的碰撞。透過觀察礦物中特定的放射性特徵，研究人員估計了這次碰撞的日期——大約在45億年前。此外，樣本中包含六方晶系鑽石、立方鑽石和石墨的互鎖層，這種模式指向了湯姆金斯團隊描述的流體驅動的轉變。
外部研究人員指出，這只是這些隕石中存在六方晶系鑽石的一種可能的解釋。“我認為這裡提出的形成方法是合乎邏輯的，可能是形成這種材料的一種可能途徑，但我承認我並沒有百分之百地信服，”澳大利亞國立大學研究高壓物理學的朱迪·布拉德比說，她沒有參與這項研究。“我希望這篇論文能夠促使在該領域進行更多的理論和建模研究，”她補充道。
德國羅斯托克大學的高能量密度物理學家多米尼克·克勞斯也持類似看法，他也沒有參與這項研究。“對我來說，這看起來有點像一個金髮姑娘情景——一切都必須恰到好處，”他說。
克勞斯說，為了驗證這種形成方法，研究人員需要複製它：關鍵的下一步是“模擬這些條件……看看我們是否真的可以在這種條件下有效地生長這些六方晶系鑽石晶體。”
克勞斯和布拉德比都參與了成功製造合成六方晶系鑽石的研究專案，方法是將其他形式的碳置於強壓之下，很像隕石撞擊時的情況。然而，就像在隕石坑中發現的六方晶系鑽石一樣，這些合成六方晶系鑽石晶體往往非常微小——奈米級（即十億分之一米）。
薩萊克和湯姆金斯的研究小組發現的六方晶系鑽石斑點最大可達微米級——仍然非常小，但大約比以前已知的任何六方晶系鑽石晶體大1000倍。這表明，石墨向六方晶系鑽石的流體驅動轉變可能產生比衝擊法更大的晶體。
如果薩萊克和湯姆金斯團隊能夠在實驗室中重現他們的理論轉變過程，這不僅是他們理論的勝利，也是整個材料科學的勝利。六方晶系鑽石從未獲得過足夠大的樣本來測試其真正的硬度（或評估其真正顏色，這仍然不確定）。但是，六方晶系鑽石結構的數學模型表明，這種物質可能比立方鑽石硬度高出58%。
“像這種實際上不會被地球上任何東西損壞的材料，如果能擁有將非常方便，”薩萊克說。例如，它可以取代鋸片和鑽頭上的鑽石，或者用作微小的、極其耐用的電子元件。布拉德比補充說，六方晶系鑽石可以幫助相對容易地切割普通鑽石。
儘管如此，重現本文中描述的確切條件將是一個挑戰。研究人員將不得不產生極端溫度、高壓和精確混合的化學物質，據推測這些化學物質催化了石墨向六方晶系鑽石的轉變。至少在理論上是可行的。但是，即使這樣的過程成功地生產出晶體，也不清楚將其擴大到工業級產量會有多困難或昂貴。
“在我們得到一枚六方晶系鑽石戒指之前，還有很長的路要走，”薩萊克說。