钻石以其坚不可摧的互锁立方碳晶格而闻名，传统上被认为是地球上最坚硬的材料。然而，一种名为六方晶系钻石的稀有钻石形式——一种碳原子排列成弯曲三维六边形的晶体——可能比其立方晶系的表亲还要坚硬。
迄今为止，天然六方晶系钻石仅在陨石坑中被发现，它是陨石撞击地球的强大压力形成的。但现在研究人员表示，他们已经发现了在数十亿年前形成的六方晶系钻石晶体，那时携带它们的陨石还未到达地球。如果该团队关于晶体形成的理论是正确的，那么它的发现可能会为科学家提供一种在地球上制造这种超硬物质的更好方法。
在一项本月发表在《美国国家科学院院刊》(Proceedings of the National Academy of Sciences USA)上的研究中，主要来自澳大利亚的研究团队检查了来自一个被称为“橄辉无球粒陨石”家族的18个不同的陨石样本。由于橄辉无球粒陨石的化学成分相对均匀——碳含量异常丰富——科学家们推测它们起源于同一个母体。
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“就在我们太阳系开始之后不久——大约45亿年前——有一颗矮行星，这颗行星受到了小行星的撞击，”澳大利亚皇家墨尔本理工大学应用物理学研究生、新研究的合著者艾伦·萨莱克说。他补充说，这场灾难性的撞击撕裂了这颗矮行星，引发了一场化学反应，这场反应可能将这颗行星的石墨碎片变成了六方晶系钻石。
石墨由以六边形结合在一起的扁平碳原子层构成。这些堆叠层之间的吸引力很弱，相对容易拉开。在地球上，高温和高压可以将这些碳原子重新排列成立方体的三维晶格，从而产生传统的钻石。但是，短暂的极端高压时期——例如陨石撞击——可以保留石墨最初的六边形排列，同时其层结合成六方晶系钻石的强大三维晶格。
研究人员提出，这些样本不是通过已知在地球上产生微小六方晶系钻石晶体的快速冲击压力形成的，而是通过快速释放压力形成的。他们声称，碳、氢、氧和硫的流体混合物在矮行星的地幔中被加热和加压，直到小行星撞击将地幔砸成碎片。研究合著者、澳大利亚莫纳什大学的地质学家安德鲁·汤姆金斯说，快速减压的化学物质混合物可能与矮行星的石墨相互作用，将其转化为六方晶系钻石。
在这种特殊的反应中，石墨晶体基本上会被撕裂并重建为六方晶系钻石。“这被称为‘耦合溶解-再沉淀’，因为它有点像在溶解这种东西，同时又在替换它，”汤姆金斯说。这种流体驱动的反应发生在矮行星的碎块飞向太空的过程中。就像来自氪星的逃生舱一样，这些碎块最终将它们珍贵的货物一直带到了地球。
研究人员通过对其18个橄辉无球粒陨石样本的细致分析，得出了这个六方晶系钻石的起源故事。汤姆金斯解释说，这些陨石矿物的结构表明了一个快速冷却过程，这指向了一场剧烈的碰撞。通过观察矿物中特定的放射性特征，研究人员估计了这次碰撞的日期——大约在45亿年前。此外，样本中包含六方晶系钻石、立方钻石和石墨的互锁层，这种模式指向了汤姆金斯团队描述的流体驱动的转变。
外部研究人员指出，这只是这些陨石中存在六方晶系钻石的一种可能的解释。“我认为这里提出的形成方法是合乎逻辑的，可能是形成这种材料的一种可能途径，但我承认我并没有百分之百地信服，”澳大利亚国立大学研究高压物理学的朱迪·布拉德比说，她没有参与这项研究。“我希望这篇论文能够促使在该领域进行更多的理论和建模研究，”她补充道。
德国罗斯托克大学的高能量密度物理学家多米尼克·克劳斯也持类似看法，他也没有参与这项研究。“对我来说，这看起来有点像一个金发姑娘情景——一切都必须恰到好处，”他说。
克劳斯说，为了验证这种形成方法，研究人员需要复制它：关键的下一步是“模拟这些条件……看看我们是否真的可以在这种条件下有效地生长这些六方晶系钻石晶体。”
克劳斯和布拉德比都参与了成功制造合成六方晶系钻石的研究项目，方法是将其他形式的碳置于强压之下，很像陨石撞击时的情况。然而，就像在陨石坑中发现的六方晶系钻石一样，这些合成六方晶系钻石晶体往往非常微小——纳米级（即十亿分之一米）。
萨莱克和汤姆金斯的研究小组发现的六方晶系钻石斑点最大可达微米级——仍然非常小，但大约比以前已知的任何六方晶系钻石晶体大1000倍。这表明，石墨向六方晶系钻石的流体驱动转变可能产生比冲击法更大的晶体。
如果萨莱克和汤姆金斯团队能够在实验室中重现他们的理论转变过程，这不仅是他们理论的胜利，也是整个材料科学的胜利。六方晶系钻石从未获得过足够大的样本来测试其真正的硬度（或评估其真正颜色，这仍然不确定）。但是，六方晶系钻石结构的数学模型表明，这种物质可能比立方钻石硬度高出58%。
“像这种实际上不会被地球上任何东西损坏的材料，如果能拥有将非常方便，”萨莱克说。例如，它可以取代锯片和钻头上的钻石，或者用作微小的、极其耐用的电子元件。布拉德比补充说，六方晶系钻石可以帮助相对容易地切割普通钻石。
尽管如此，重现本文中描述的确切条件将是一个挑战。研究人员将不得不产生极端温度、高压和精确混合的化学物质，据推测这些化学物质催化了石墨向六方晶系钻石的转变。至少在理论上是可行的。但是，即使这样的过程成功地生产出晶体，也不清楚将其扩大到工业级产量会有多困难或昂贵。
“在我们得到一枚六方晶系钻石戒指之前，还有很长的路要走，”萨莱克说。