●尾声

八、碳元素的极端世界

碳材料是人类打交道最久的材料之一。在碳材料中，石墨是平庸的材料，金刚石是名贵的材料。这不仅表现在金刚石的硬度是最高的（它是刚玉的4倍，石英的8倍），而且宝石级金刚石又称为“钻石”。由于钻石的光泽灿烂，晶莹剔透，并被誉为“宝石之王”。又由于钻石的价格昂贵，它的占有者往往被作为衡量个人和国家富裕程度的标志之一。达不到宝石级的金刚石常常视为工业用金刚石，以其超硬性被广泛用子机电、光学、建筑、交通、冶金、地质勘探和国防等工业领域和现代高新技术领域。当然，碳材料远不止金刚石，在今天仍在书写着传奇。

●石墨与金刚石

碳是一种很常见的元素，很早就被人认识和利用，一系列碳化合物——有机物更是生命之根本。在生物上是重要的分子，生物体内大多数分子都含有碳元素。

碳的存在形式是多种多样的，有晶态单质碳如金刚石和石墨；有无定形碳如煤；有复杂的有机化合物如动植物等；碳酸盐如石灰石和大理石等。单质碳的物理和化学性质取决于它的晶体结构。高硬度的金刚石和柔软滑腻的石墨其晶体结构是不同的。

金刚石的成分是碳，为什么金刚石有那么大的硬度呢？例如，制造铅笔芯的材料是石墨，成分也是碳，然而石墨却是一种比人的指甲还要软的矿物。金刚石和石墨的硬度为什么会有如此大的差距呢？

1913年，英国的物理学家威廉·亨利·布喇格（1862～1942）和他的儿子威廉·劳伦斯·布喇格（1890～1971）用X射线观察金刚石，研究金刚石内原子的排列。他们发现，金刚石晶体内部的每一个碳原子都与周围的4个碳原子紧密结合，形成一种致密的三维结构。这使金刚石的密度达到每立方厘米约3.5克，大约是石墨密度的1.5倍。正是这种特殊的结构，使得金刚石具有最大的硬度。

石墨和金刚石都属碳的单质形态，二者的化学式都是C。虽然化学性质完全相同，但金刚石和石墨的元素相同，只属于同素异形体，所不同的是物理结构特征。

金刚石的熔点是3550摄氏度，石墨的熔点是3652～ 3697摄氏度（升华）。石墨熔点高于金刚石。石墨原子间构成正六边形是平面结构，呈片状；金刚石原子间是立体的正四面体结构。从片层内部来看，石墨是原子晶体；从片层之间来看，石墨是分子晶体，而金刚石是原子晶体。石墨晶体的熔点反而高于金刚石，似乎不可思议。

石墨是碳质元素结晶矿物，它的结晶格架为六边形层状结构。石墨的英文名称是graphite，源于希腊文，写成拉丁文是graphein，意思是“用来写”（用于制作铅笔芯材），是由德国化学家和矿物学家沃纳于1789年命名的。

石墨质软，黑灰色，有油腻感，还是最耐温的矿物之一。石墨薄片具有滑感，易污手，具有良好的导电性和导热性。石墨的润滑性能取决于石墨鳞片的大小，鳞片越大，摩擦系数越小，润滑性能越好。

作耐火材料的石墨可用来制造石墨坩埚，也常用石墨作冶金炉的内衬。在电气工业上用作制造电极、电刷、碳棒、碳管、石墨垫圈和电话零件，以及电视机显像管的涂层等。石墨在机械工业中常作为润滑剂。石墨还可用作中子减速剂用于原子反应堆中，铀—石墨反应堆是原子反应堆的一种堆型。世界上第一座反应堆就是铀—石墨堆型。在国防工业中还用石墨制造固体燃料火箭的喷嘴、导弹的鼻锥、宇宙航行设备的零件，以及隔热材料和防射线材料。石墨还可作颜料和抛光剂等。

石墨还是制造铅笔芯、墨汁、黑漆、油墨和人造金刚石不可缺少的原料。

●最坚硬的碳——金刚石

金刚石是自然界中最坚硬的物质，因此也就具有了许多重要的工业用途，如精细研磨材料、高硬切割工具、各类钻头，主要用于制造钻探用的探头和磨削工具，还被用于制作精密仪器的部件。在自然条件下，金刚石的形成极为不易，是碳在高温高压的条件下历经亿万年的生成过程形成的。今天，人类已可以生产出人造金刚石，但质量和大小还远远不及天然金刚石。

人类对金刚石的认识和开发具有悠久的历史。早在公元前3世纪古印度就发现了金刚石。金刚石有多种颜色，从无色到黑色都有，但呈现透明、半透明或不透明，以无色的金刚石为特佳。多数金刚石大多带些黄色。金刚石的折射率非常高，色散性能也很强，这就是金刚石为什么会反射出五彩缤纷的原因。金刚石在X射线照射下会发出蓝绿色荧光。金刚石一般为粒状，如果将金刚石加热到1000摄氏度时，它会缓慢地变成石墨。

金刚石具有超硬性、耐磨性和传热导性等优异的物理性能，素有“硬度之王”和“宝石之王”的美称。

金刚石矿物晶体构造属四面体型构造。碳原子位于四面体的角顶及中心，具有高度的对称性。四面体的每个面都是正三角形，它的4个顶点又与周边的4个正四面体的中心相重合。因此看上去，金刚石的切面平整光滑，棱角分明，当光照时，金刚石表面表现得光芒外射。这种性质使金刚石成为制作饰品的最佳原料。

虽然早在1世纪的文献中就有了关于金刚石的记载，可是在此后1600多年中，人们始终不知道金刚石的成分。直到18世纪下半叶，法国化学家拉瓦锡等人进行在氧气中燃烧金刚石的实验，所得到的是二氧化碳气。二氧化碳中的碳就来源于金刚石。这证明了组成金刚石的材料是碳。

金刚石是碳在高温高压条件下的结晶体。在欧洲，它的名称来源于希腊文Adamas，意为坚硬无敌。金刚石是一种稀有、贵重的非金属矿产，在国民经济中具有重要的作用。金刚石按用途分为两类：质优粒大可用作装饰品的称宝石级金刚石，质差粒细用于工业的称工业用金刚石。

●珠宝中的贵族——钻石

钻石就是宝石级的金刚石，是珠宝中的贵族。它通明剔透，散发着清冷高贵的光辉，颇有“出淤泥而不染”的气质。钻石是自然界最坚硬无比的物质，硬度是最高的。钻石由于折射率高，在光照下显得熠熠生辉，成为最受关注的宝石，巨钻更是价值连城。略带深颜色的钻石的价值还要高。目前，最昂贵的有色钻石要数带有微蓝的水蓝钻石。

钻石是一种纯碳矿物。钻石的硬度最高，钻石的切削和加工必须使用钻石粉来进行。钻石的密度为3.5克/厘米3，折射率为2.417。钻石不仅硬度大，熔点极高。形状完整的钻石还用于制造首饰之类的高档饰品，价格昂贵。钻石因为具有高反射率，它的反射临界角较小，全反射的范围宽，反射光量大，从而显出很高的亮度，对于白光的反射作用特别强，这种非常强烈的反光就叫做金刚光泽。

人类同金刚石打交道有悠久的历史。在古罗马的著名博物学家普林尼的《博物志》中有一个“钻石之谷”的故事。

相传，毒蛇是金刚石的“守护神”。公元前4世纪中叶，伟大的马其顿国王亚历山大在统一希腊，打败波斯之后，又东征印度。希腊人曾在一个深坑中发现钻石，但有许多毒蛇“守护”，这些毒蛇可以在离深坑一定距离的地方就使人毙命。亚历山大命令士兵用镜子反光（聚光），将毒蛇烧死，然后把羊肉扔进坑内，坑中的钻石就粘在羊肉上面，羊肉引来了秃鹰，秃鹰连羊肉带钻石吃进腹内飞走后，士兵跟踪追杀秃鹰以得到钻石。后来的罗马人还没有把金刚石当作装饰用的宝石，只是利用它们的硬度，当成雕琢工具使用。但是，自公元1世纪起，钻石一直是国家与王宫贵族和达官显贵的财富、权势与地位的象征。

中国古人常常把有这种强反光特性的钻石统称为“夜明珠”。在印度的一个深谷中有钻石，白天受到太阳紫外线照射的钻石，在夜间会发出淡青色的荧光。这些荧光也许吸引了许多有趋光性的昆虫飞来，昆虫又引来大量的青蛙，青蛙又招来毒蛇，环环相扣，就成了有钻石的深谷中也有许多毒蛇的原因。

钻石是如何产生的？古人是全然不知的。直到1866年，南非的一位名叫伊拉兹马斯·雅可比的少年在一个河滩上玩耍，捡到了一块重21克拉的钻石。它立即被英国的总督送到巴黎的万国博览会（1867～1868）上展览，并取名为“尤瑞卡”（希腊语，意思是“我找到了”，这也是因阿基米德而成为名言）。当人们听到在南非发现金刚石的消息，使成千上万的探宝者拥到奥兰治河，寻找金刚石的矿藏。在这些探宝者中，伯纳特兄弟俩非常幸运，他们于1870年在金伯利附近发现了一座钻石矿。正是这一发现，使人们知道了钻石通常蕴藏在金伯利岩中，也知道在哪种岩石中有可能含有钻石。

●“点石成金”的莫瓦桑

在评选1906年度诺贝尔化学奖时，法国化学家享利·莫瓦桑成了候选人。而另一个候选人便是以建立元素周期律出名的科学家门捷列夫。在投票表决时，10名委员中有5名投莫瓦桑的票，有4票投给门捷列夫，还有1票弃权。结果莫瓦桑以一票的优势而获奖。1907年门捷列夫和莫瓦桑都相继逝世了。可是门捷列夫失掉了再被评选的可能，这不能不说是诺贝尔颁奖历史上的一大遗憾！

莫瓦桑（1852～1907）曾“制伏”了最活泼的非金属而又毒性非常大的元素氟，还发明了高温电炉以熔炼钨、钛、钼和钒等高熔点金属，因此成为著名的科学家。

1792年，经法国科学家拉瓦锡用实验证明了金刚石和石墨是碳的同素异形体，这才弄清楚金刚石是由纯净的碳组成的。丹麦著名的物理学家奥斯特从电流流过导线，并在与导线相垂直的平面内发现磁场，谓之电流磁效应，反过来，人们还梦想着从磁作用产生电的效应。简单地说，这是“电生磁”和“磁生电”两种互逆的效应。在人造金刚石也有类似的“效应”梦想之前，1799年，法国化学家摩尔沃把一颗金刚石转变为石墨。人们“动用”逆向思维，试想，能把石墨转化成金刚石吗？此后，人们热心研究把石墨转化为金刚石的方法，谁能获得这个“点石成金”的“秘方”呢？

莫瓦桑先利用他发明的高温电炉制取了碳化硅和碳化钙，这是否能实现“点石成金”呢？他先试验制取氟碳化合物，再除去氟以制出金刚石，但未成功。他又设想利用高温电炉，当铁化成铁液时，把碳投入铁液中，而后把渗有碳的铁液倒入冷水中，借助铁的急剧收缩时所产生的压力，迫使铁中的碳原子能有序地排列成正四面体的大晶体。再用稀酸溶去铁，就可得到金刚石。这个设想似乎可行，他和助手一次一次地试验。1893年2月6日，当他和助手用酸溶去铁后，在石墨残留物中，出现了一颗0.7毫米大小的晶体！经检测，这颗晶体真是金刚石。他终于得到了梦寐以求的“希望之星”。他们还将这颗金刚石命名为“摄政王”。

人造金刚石的成功使本来因研制氟和高温电炉而著名的莫瓦桑，更加名噪一时。1906年瑞典诺贝尔基金会宣布，把相当于10万法郎的奖金授给莫瓦桑。这是“为了表彰他在制备元素氟方面所做出的杰出贡献，还表彰他发明的莫氏电炉”，在颁奖词中对人造金刚石的事也加以赞扬。

其实，莫瓦桑“成功”的人造金刚石试验只进行了一次，他本人没再进行第二次，却浸沉在“成功”的美誉之中。在莫瓦桑去世后，“人造”的真相才被揭露出来。据说，由于助手对无休止的试验感到厌烦，他便悄悄地把一颗天然金刚石混迹到实验中去了。虽然不能说莫瓦桑有意骗人，但莫瓦桑并没有重复进行试验。应该说，诺贝尔奖授奖者的眼睛是明亮的，他们并没有为金刚石的商业价值所迷惑，更看重莫瓦桑在化学实验上的成就。

从理论上说，对于金刚石的正四面体晶体结构和石墨的层状结构，这在1910～1920年才有所认识。要把石墨转变为金刚石包含许多因素。1938年，科学家根据热力学理论研究石墨-金刚石的转化过程。

1946年，诺贝尔物理奖颁给美国科学家布里奇曼（1882～1961）。颁奖原因是他开发出极高压的技术，在高压物理领域内所做出的一些重要发现。至此，人造金刚石已具备了可能性。1955年，美国通用电气公司专门制造了高温高压静电设备。美国科学家霍尔等人在1650摄氏度和95000个大气压下，制成了金刚石。他们进行了各种理化检测，确证制成物为金刚石，从而开创了工业规模生产人造金刚石磨料的先河。这是人类历史上第一次合成人造金刚石。这离莫瓦桑宣称制成金刚石已有62年了，莫瓦桑逝世也近半个世纪了。可知莫瓦桑的试验是在高温下，以铁水急剧冷却收缩所获得的压力，顶多只有几千个大气压，这可能实现从石墨到金刚石的转化吗？

●人造金刚石

18世纪末，人们发现金刚石与石墨竟是碳的同素异形体。人造金刚石也就成为科技人员的梦想。是否能让石墨在超高温高压的环境下转变成金刚石。

世界金刚石矿产资源不丰富，远不能满足宝石与工业消费的需要。20世纪60年代以来，人工合成金刚石技术兴起，至90年代日臻完善，人造金刚石几乎已完全取代工业用天然金刚石，其用量占世界工业用金刚石消费量的90%以上，在中国甚至已达99%以上。

金刚石矿被开采出来，需经多道处理挑选，再从中获得毛坯料。在毛坯的金刚石料中也只有20%可作首饰用途的钻坯，而大部分只能用于切割、研磨和抛光等工业用途上。估计，要得到1克拉重的钻石，要开采处理大量的矿石，采获率相当低；若是从成品钻中挑选出美钻，那比例就更小了。

人工合成金刚石的方法主要有两种，高温高压法和化学气相沉积法。化学气相沉积法仍主要存在于实验室中。高温高压法技术已非常成熟，并形成产业。中国的人造金刚石产量很高，为世界第一。

人造金刚石主要是在工业中大有可为。它的硬度高、耐磨性好，可广泛用于切削、磨削、钻探，可制造金属结合剂磨具、陶瓷结合剂磨具或研磨用等，制造一般地层地质钻探钻头、半导体和非金属材料切割加工工具等。它优良的透光性和耐腐蚀性，在电子工业中也得到广泛应用。由于它的导热率高和电绝缘性好，还可作为半导体器件的散热板。金刚石薄膜也已应用在半导体电子器件、光学和声学器件、压力加工工具和切削加工工具等方面，其发展速度惊人，在高科技领域更加诱人。

目前，世界上已有十几个国家（包括我国）均合成出了金刚石。但这种金刚石因为颗粒很细，主要用途是用于磨料，用于切削和地质、石油的钻井用的钻头。

最初合成的金刚石颗粒呈黑色，重约0.1克拉（用于宝石的金刚石一般最小不能小于0.1克拉）。美国和日本已制成6.1克拉多的金刚石。金刚石已从石墨中“飞”出，也许宝石级的人造金刚石也会在不久的将来供应于市场。

用人工方法使非金刚石结构的碳转变为金刚石结构的碳，并且通过成核和生长形成单晶和多晶金刚石。具体地说，或把细粒金刚石在高压高温下烧结成多晶金刚石，或利用超高压高温技术，使石墨等碳质原料从固态或熔融态直接转变成金刚石，这种方法得到的金刚石是微米尺寸的多晶粉末。中国科学家发明的一种方法是，把四氯化碳和钠在700摄氏度反应，会生成金刚石，同时也会生成大量的石墨。2010年12月，日本科学家成功合成了世界上最坚硬的金刚石，这种金刚石的直径可超过1厘米。这种圆柱形的金刚石是日本爱媛大学研究人员与住友电器工业公司合作的结果，被命名为“媛石”，取自“爱媛”。“媛石”是目前世界上最坚硬的人工金刚石，比普通金刚石坚硬得多。

●“化陈腐为神奇”的克罗托

关于碳的知识，它的无机物并不是很多，但是，讲到有机物，几乎都是碳化物。关于碳的结构，常见的是无定形的碳，还有石墨和金刚石。由于石墨和金刚石的结构相差太大，二者的硬度有天壤之别。

在19世纪下半叶，关于有机物中的苯，它的结构一时很令人迷惑，也令研究者头痛。在1865年，据说，德国化学家凯库勒（1829～1896）曾在梦境之中，看到一条舞动的蛇，它的嘴衔着尾巴，呈现着首尾相连的样子。这启发了他的灵感，为此他提出，由6个碳原子构成的环状的六边形结构。这种苯或苯环化合物对有机化学理论与技术的发展产生了重要的影响。克罗托的“笼形”假设差不多是重演了凯库勒的发现过程，并且为碳“家族”增加了新的成员；而且就像凯库勒研究之后的发展；碳60也衍生出一个庞大的家族，也许可以产生出大量的化工产品。

石墨物贱，但仍未被科学家抛弃，他们研究它，并试图“化陈腐为神奇”，甚至要“点碳成金”。他们还并不只是想一想，而是写出文章，还登载在1966年的《新科学家》（英国的杂志）上。作者把石墨做成空心的样子，像“气球”的样子。两年后，科学家发现，在太空中有大量的有机分子，这种分子也被称为“星际分子”。这是英国非常重要的发现，并被誉为20世纪60年代的四大发现之一。

能不能找到更多种类的星际分子呢？

在凯库勒发现苯环的100多年后，1975年，年轻的英国科学家克罗托就想找到一些新的星际分子。由于恒星进入“晚年”时，就会极度膨胀，变成红巨星。这时，恒星上大量的氢物质被消耗，但这时的核聚变产物已经是碳。因此在太空中的星际分子中应该有大量的碳。克罗托曾设想，如果温度急剧下降，大量的碳原子就会形成一种碳原子链，一种新型的分子。

克罗托的想法会被证实吗？他与助手在观测天体时，发现了一些分子，是有些像碳分子。在1981年的学会会议上，他报告了他们的新发现。同时，克罗托也注意到，有人在实验室中看到含有33个碳原子的分子。这样的碳分子在太空中果然存在吗？

在1984年，克罗托去美国德克萨斯开会，在会上还见到了他的老朋友、赖斯大学的柯尔。会后。他到柯尔家作客，还到书店去“淘书”。不过，在这时，他还一直在想着长长的碳链。在到达柯尔家后，柯尔还把他的一位同事介绍给克罗托。这位同事就是斯莫利（1943～2005）。由于都是同行，他们自然谈得很投机。斯莫利的实验室还有一个制作分子的机器，这也成了他们谈话内容的一部分。柯尔向克罗托介绍了斯莫利的工作。

第二天，克罗托与斯莫利一起到了斯莫利的实验室，并且看到了那“神奇的”机器。克罗托还看到机器合成的新物质。斯莫利还让克罗托看了他们合成的碳化硅。由于碳和硅是同族的元素，化学性质很相似。在这架机器中能不能合成出长长的碳链分子呢？

当克罗托向柯尔谈过之后，柯尔认为，这是一个不错的想法，并向斯莫利提出了合成长链碳分子的想法。斯莫利似乎没有太大的兴趣，斯莫利觉得，对于碳的结构，化学家已经研究得很多了，也取得了许多的成果，还能从中淘出什么“金块”吗？

当克罗托再次到赖斯大学时，他向同行们通报了他们在天体寻找含碳分子的可能性。很快，他们利用这架神奇的机器合成了具有60个碳原子的分子。不过，他们发现的这60个碳原子应是怎样组合起来的呢？

克罗托在思考这个实验时，他想到建筑学家布克曼斯特·富勒的一座建筑。早在1967年，在加拿大蒙特利尔举办过世界博览会。在举办的城市中通常要建一些新式建筑，以彰显这个城市的特色。建筑师们在投标时，都要绞尽脑汁设计出很特别的样式和结构。例如，在2008年奥运会的举办城市北京就建成了名为“鸟巢”的体育场。在蒙特利尔也如此，建筑师富勒设计出一种“古怪的”网格穹顶样式。在博览会期间，克罗托恰在蒙特利尔市做博士后。他经常推着儿童车，载着小儿子在这个“大球”中逛好几圈。

远看上去，“大球”的每个边呈弧形，或看上去像弧形。这些边构成了一个球体，像个“笼子”。可是，这样一个“笼子”的结构是真实的吗？

克罗托、柯尔和斯莫利都在思考着60个碳原子的结构问题。克罗托还曾设想了一种“三明治”的结构，分子有4层原子。每层原子的数量大致是6∶24∶24∶6。不过克罗托马上就发现，这种结构是缺乏活性的。在研究之后，他们发现，如果这些原子形成一个“笼子”那就会很稳定。可是，这样的“笼子”应该是一个什么样子呢？

其实，我们在观察许多东西时，似乎只关心样子，并不注意细节。克罗托在讲到这个网状大球时，也只是回忆起，一些网格是六边形的。可这是如何拼起来的呢？他们就用很“笨”的办法来拼接。克罗托还想起与儿子一起玩拼板的游戏。他剪出六边形的纸板，好像还要一些五边形的纸板。而且要拼出60个格点的大球，克罗托还是有些把握的。

实验人员也试图制作更多的碳60，并且发现，这些碳分子像碳化硅的结构。为此，斯莫利到图书馆去寻找资料，以启发新的思路，特别是要检索出富勒的书，看他是如何设计的。阅读富勒的书，书中有许多图片，的确是受到了一些启发。

克罗托虽然想彻底破解碳60的奥秘，但他在赖斯大学已待的时间太长了，该回英国了。为了感谢赖斯的同行们，克罗托设宴招待大家。在宴席上，碳60仍是一个谈得最多的话题。甚至在宴会后，克罗托还到实验室做最后一搏，以求取得进展。他们中有一些人用牙签扎着小软糖块，或者是用纸板糊起来，但是都没有什么进展。斯莫利回到家中，全无睡意，他就启开了一瓶啤酒，边喝边思索着。克罗托说过，除了六边形，好像还有五边形。

也许是啤酒发挥了作用，斯莫利觉得，先把5个六边形拼接在一起，再加五边形和六边形各5个，这就形成了一个半球形。这时，斯莫利数出了40个格点，已经构成了多半个“球形”；再增加两排五边形和六边形，就只剩下一个五边形的空间了。

斯莫利长长地吁了一口气。他又仔细地数了格点数，正好60个。这个“球”共包括12个正五边形和20个正六边形。这样的形状恰好是一个非常漂亮的球形结构，好像个“笼子”。

到第二天早上，斯莫利来到办公室，他向小组的成员展示了这个纸质的“笼子”。克罗托看过后最兴奋，这与他家中的那个玩具一样。但是，60个碳原子为什么要如此地连接在一起呢？还要认真地研究碳与碳之间的共价键。共价键是科学工作者非常熟悉的，很快，他们就建立起碳60的模型了。

其实，读者中如果有足球运动的爱好者，许多人都知道，这个纸质的“笼子”不过是一个纸质的足球。足球大都是用皮子连缀起来的，其中包含有32块小皮块，12块黑色的五边形皮子，20块白色的六边形皮子。为此，小组中的一个成员特地到商店买了一个足球。果然如此。

下一步是用塑料球和塑料棍把碳60拼接起来，一个真切的碳60模型结构就出来了。这个崭新的结构大大推进了人们对碳的认识，而且竟然像个足球。为此，人们将它命名为“足球烯”。又由于他们受到富勒的建筑的启发，碳60也被称为“富勒烯”。

开始，科学界对这个“怪物”并未理会，关键是，论证这样的结构也不是一件容易的事。到1989年，德国科学家克雷希梅尔在氮气中进行石墨放电，产生了一些“松烟”。他竟然获得了碳原子簇，为全面研究碳60提供了更好的途径。

由于许多科学家都参与了研究，最终，克罗托的假设（笼球）是正确的。这样，对于碳的同质异构体，除了石墨和金刚石之外，人们研制出（人工的）碳60。

进一步的研究，使科学家对这种笼形的球有了更多的认识。尤其是，碳的笼球形结构，其碳原子数并不限于60个。后来，人们又相继发现了碳20、碳24、碳28、碳32、碳36、碳50、碳70、碳84……不过，它们与碳60相比，结构还不够稳定。在这些同质异构体中，较稳定的还有碳70和碳50。

在这些结构中，它们的正六边形和正五边形的个数是不同的，如碳70，它由25个正六边形和12个正五边形组成。碳70也是一个笼球状。经过几何学上的论证，人们认识到，碳20是可能存在的最小的中空笼状分子。

石墨是层状的结构，每个平面层呈正六边形；每层之间的连接很弱，整体上看去没有棱角，折光现象也没有。它的硬度也很低，适宜制作固体中的润滑剂。不过在高温高压下进行锻压时，石墨的结构会发生极大改变，甚至形成金刚石，这样的金刚石被称为“人造金刚石”。虽然品相并不理想，但硬度还是很高的，也可用于制作刀具和钻具等。

碳60的直径只有7.1×10-10米，即0.71纳米，而最邻近的两个球之间的球心距离为1.02×10-9米，即约1纳米。这些位于正五边形和正六边形的碳原子的结合程度非常紧密，而且这些碳原子还可与一些无机或有机的基团结合，以生成众多的衍生物。从碳60的尺寸看，两个球之间的距离与半导体材料的结构有相似之处，这说明，碳60可以在电子材料、通讯材料或计算机元件的开发工作中有所作为。

由于碳60有一个空腔，它可以容纳一些金属原子，以形成一些“包含物”。例如，把钾离子或镧离子装入碳60的“笼子”中。1992年，北京大学的研究人员将锡离子装入碳60的笼球之中，这种包含物具有超导性能，其超导转变温度为-236摄氏度。还有人将碳60与氢反应，生成C60H18，而且还能返回碳60，并形成带负电的碳60离子。利用这样的作用可以制作充电电池。由于这种新型电池的容量很大，而且干净，所以适宜制作汽车的动力，还无污染。

●不可思议的石墨烯

在最近的20年中，碳元素引起了世界各国研究人员的极大兴趣。自富勒烯和碳纳米管被科学家发现以后，三维的金刚石、“二维”的石墨烯、一维的碳纳米管、零维的富勒球组成了完整的碳系家族。石墨并非是真正意义的二维材料，单层石墨碳原子层只是准二维结构的碳材料。

石墨与金刚石、碳60、碳纳米管等都是碳元素的单质，它们互为同素异形体。人们常见的石墨是由一层层以蜂窝状有序排列的平面碳原子堆叠而形成的，石墨的层间作用力较弱，很容易被分层剥离，形成石墨薄片。当把石墨片一层一层地剥成单层，这种只有一个碳原子厚度的单层就是石墨烯。

石墨烯是一种由碳原子构成的单层片状结构的新材料，是一种由碳原子组成六角型呈蜂巢晶格的平面薄膜，是只有一个碳原子厚度的二维材料。过去，石墨烯一自是一种只具有理论意义上的“材料”，一种假想的材料，无法单独存在。直到2004年，英国曼彻斯特大学物理学家安德烈·海姆和康斯坦丁·诺沃肖洛夫从石墨中分离出石墨烯，从而证实它可以单独存在，两人也因“在二维石墨烯材料的开创性实验”一起获得2010年诺贝尔物理学奖。在制作石墨烯时，他们找到从石墨中剥离出石墨片的方法。他们将薄片的两面粘在一种特殊的胶带上，撕开胶带，胶带粘下一层石墨，这就能把石墨剥离成一片一片的。经过反复地如此操作，使石墨薄片越来越薄，最后得到了仅由一层碳原子构成的薄片，这就是石墨烯。此后，经过5年的发展，人们发现，使石墨烯制作工艺进入工业生产的领域已为时不远了。

海姆和诺沃肖洛夫都出生于俄罗斯，都曾在前苏联的莫斯科工程物理学院学习，也曾一同在荷兰学习和从事研究工作，最后他们又一起在英国制备出了石墨烯。他们制备的石墨烯是世界上最薄的材料，仅有一个碳原子厚。石墨烯的导电性高度稳定，即使被切成1纳米宽的元件，导电性能也很好。

石墨烯目前是世界上最薄却也是最坚硬的纳米材料，超过了碳纳米管和金刚石。它几乎是完全透明的，导热系数很高。石墨烯为目前世界上电阻率最小的材料，因为它的电阻率极低，电子迁移的速度极快，因此被期待着用于发展出更薄、导电速度更快的新一代电子元件或晶体管。如果利用石墨烯制成单电子晶体管可在室温下工作。而作为热导体，石墨烯比目前任何其他材料的导热效果都好。

石墨烯的碳原子排列与石墨的单原子层相似，石墨烯的命名来自英文的graphite（石墨）＋-ene（烯类词尾）。从学理上讲，石墨烯被认为是平面多环芳香烃原子晶体。石墨烯结构稳定，碳原子的连接很柔韧，受到外力时，石墨烯的面会发生弯曲，其中的碳原子不必借助重新排列来适应外力，并保持稳定的结构。正是这种结构使石墨烯具有优秀的导热性。在常温下，周围碳原子发生挤撞，石墨烯内部电子受到的干扰也非常小。

石墨烯是已知材料中最薄的一种，质料非常牢固坚硬。石墨烯是迄今为止世界上强度最大的材料。如果用石墨烯制成厚度相当于膜（厚度约100纳米），那么它将能承受大约两吨重物品的压力，并不会断裂。石墨烯比钻石还坚硬，强度比世界上最好的钢铁还要高上百倍。如果物理学家们能制取出厚度相当于普通食品塑料包装袋的（厚度约100纳米）石墨烯，那么需要施加差不多两万牛顿的压力才能将其扯断。换句话说，如果用石墨烯制成包装袋，那么它将能承受大约一吨重物品的重压。根据石墨烯超薄和强度超大的特性，石墨烯可被广泛应用，比如超轻防弹衣、超薄超轻型飞机材料等，甚至能让科学家梦寐以求的3.7万千米长太空电梯成为现实。优异的导电性使它在微电子领域也具有巨大的应用潜力。石墨烯有可能会成为硅的替代品，制造超微型晶体管，用来生产未来的超级计算机使未来的计算机获得更高的速度。

石墨烯是世界上导电性最好的材料，电子在其中的运动速度达到了光速的1/30，远远超过了电子在一般导体中的运动速度。2011年4月，IBM的研究人员向媒体展示了他们研发的石墨烯晶体管，该产品每秒能执行1550亿个循环操作，比以前的试验用晶体管快50%。在纳米电子器件方面的应用，石墨烯可能最终代替硅生产超级计算机。石墨烯的出现在科学界激起了巨大的波澜，人们发现，石墨烯有望在现代电子科技领域引发一轮革命。由于电子和原子的碰撞，传统的半导体和导体用热的形式释放了一些能量，目前一般的电脑芯片以这种方式浪费了72%～81%的电能，石墨烯则不同，它的电子能量不会被损耗，这使它具有了非同寻常的优良特性。

石墨烯还会以光子传感器的面貌出现，这种传感器可用于检测光纤中携带的信息。IBM的一个研究小组曾宣布，他们研制石墨烯光电探测器后，再研制基于石墨烯的太阳能电池和液晶显示屏。因为石墨烯有很好的透明性，用它制造的电板透光性更好，可以应用于晶体管、触摸屏等，用石墨烯制作的光电化学电池可以取代基于金属的有机发光二极管。中国一家石墨烯研究单位发布消息，他们研制成功全球首款手机用石墨烯电容触摸屏。

用石墨烯制成的低成本电池或将实现“一分钟充电”。美国研究人员利用锂离子可在石墨烯表面和电极之间快速大量穿梭运动的特性，开发出一种新型储能装置，可将充电时间从过去的数小时之久缩短到不到一分钟。

目前，作为导电性能和机械性能都很优异的材料，素来有“黑金子”之称的石墨烯在中国市场上的价格近10倍于黄金，超过2000元/克。

由于成果要经得起时间考验，许多诺贝尔科学奖项都是在成果获得后十几或几十年后才颁发。石墨烯材料的制备成功后6年，海姆和诺沃肖洛夫就获得了诺贝尔奖，这使诺沃肖洛夫感到意外。他说：“听说这个消息时，我非常惊喜，第一个想法就是奔到实验室告诉整个研究团队。”他的同事海姆则表示，“我从没想过获诺贝尔奖，昨天晚上睡得很踏实”。海姆认为，获得诺贝尔奖的有两种人：一种是获奖后就停止了研究，至此终老一生再无成果；一种是生怕别人认为他是偶然获奖的，因此在工作上倍加努力。“我愿意成为第二种人，当然我会像平常一样走进办公室，继续努力工作，继续过平常的生活。”

●尾声

人类生活在大自然之中，关于宇宙的题目很多，也是人们常常议论的内容。在20世纪科学的发展中，宇宙学研究的开启联系着爱因斯坦，至今，爱因斯坦创立的广义相对论仍是研究宇宙学的基本工具，依然发挥着作用。在宇宙中，人们利用物理学与化学的知识，不只改变人们对宇宙的认识，也创造着宜人的环境，改善着人们日用的物品。

就世界观来看，从宇观上看，人类对宇宙的认识大大深化了，大爆炸的宇宙膨胀理论已成为宇宙演化的基本理论，并且为一次又一次的深度观测所证实。从宏观上讲，人们的日用之物也有了极大的发展，近几十年的化学纤维制品极大地影响着人类的生活，还有像移动硬盘这样的物品既包含着物理学的原理，又体现着精准的技术；当然，像光纤通信这样的“寻常”技术，经过百余年的发展，也从实验中的“游戏”到医生手中的窥镜，再到现代的高技术手段，这都体现着高超技术“极端的”品质。

科学家在未来必须探索更微观的世界，建造更高能的加速器进行对撞实验具有重要意义。高能物理学家王贻芳表示，希格斯粒子发现后，中国应该利用成熟的环形加速器技术建造希格斯粒子工厂，来研究世界上最先进的研究课题。而世界上最先进的科研项目同时能吸引更多杰出青年学者和世界顶级科学家来工厂。杰拉德·特霍夫还强调指出，希格斯粒子的发现进一步验证了标准模型的准确性，但它并非完美。下一代高能物理对撞机的建设，将会给人们的认识带来一次革命。戴维·格罗斯表示，中国筹划进行的加速器实验将会和中国的万里长城一样引人瞩目。