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迷人的材料：10种改变世界的神奇物质和它们背后的科学故事 [:1700544691]
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迷人的材料：10种改变世界的神奇物质和它们背后的科学故事 8 坚不可摧的碳材料 GRAPHITE
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我小时候第一次上美术课时，老师巴灵顿先生告诉我们，眼睛所见的东西都是由原子组成的。所有东西。只要明白这一点，就踏出了成为艺术家的第一步。教室里鸦雀无声。他问我们有没有问题，但所有人都愣住了，怀疑自己是不是走错了教室。巴灵顿先生继续讲他的美术概论，他在墙上贴了一张纸，拿起铅笔在纸上画了一个正圆。同学们开始兴奋起来，同时松了一口气。我们应该没有走错教室。
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巴灵顿先生说：“我把原子从铅笔转到了纸上。”说完开始大谈石墨炭笔多么适合当成艺术表现的工具。“重点是，”他说，“虽然我们的文化推崇钻石为最高阶的碳，其实它根本无法做出深刻的表现。钻石跟石墨不同，钻石从来不曾创造出好的艺术。”我不难想象他对艺术家达米恩•赫斯特价值五千万英镑的镶钻骷髅头作品“献给上帝之爱”会给出什么评价。
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不过，巴灵顿先生认为钻石和石墨这两种碳是彼此为敌的，这可是一点也没错。一边是漆黑、实用又适合表达的石墨，一边是崇高、冰冷、坚硬而闪耀的钻石，双方从远古一直缠斗至今。就文化价值而言，钻石长期霸占赢家宝座，但局势可能就要改变。我们对石墨的内部构造有了新的理解，使它成了令人惊叹的事物。
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就在美术老师让我接触到石墨的三十年后，我来到曼彻斯特大学物理系三楼一间以日光灯照明的办公室，跟全球顶尖的碳专家海姆（Andre Geim）教授见了面。我真希望他和巴灵顿先生一样，只用石墨当表达工具。可惜他拉开书桌抽屉时，里面满满的都是圆珠笔和马克笔。海姆讲话带着浓浓的俄国口音，他对我说：“正圆是不存在的，米奥多尼克。”我突然不晓得他有没有听懂刚才那段往事的重点。接着他从抽屉拿出一个红色皮制展示匣说，“你看一下，我去冲咖啡。”
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展示匣里是一枚饼干大小的纯金金牌，上头刻着某个男人的浮雕像。我把金牌拿在手里掂了掂，发现它的金属感很重。纯金是金属世界里的全脂奶油，我没想到色泽这么晦暗，把我吓了一跳。金牌上的浮雕像是诺贝尔，还有一行小字叙述海姆的研究团队赢得了2010年的诺贝尔物理学奖，表彰他在石墨烯研究上做出的重大突破。石墨烯是一种二维石墨，也是材料世界的惊奇之作。我一边等海姆拿咖啡回来，一边沉思他刚才的奇怪答复。难道他是在暗示过去10年的碳研究让他兜了一大圈，结果却没回到原点？
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碳是轻量原子，质子数为6，碳原子核内通常有六个中子，有时为八个，但这种名为碳-14的碳原子，原子核极不稳定，会因放射性衰变而裂解。由于衰变率长时间恒定，加上许多物质都含有碳-14，因此测量物质内的碳-14含量就能推算该物质的年龄。这种科学方法称为碳定年法，比其他方法更能帮助我们掌握远古事件。巨石阵、都灵裹尸布和死海古卷都是靠碳-14确定年代的。
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撇开放射性不谈，对碳而言，原子核的重要性不大。就碳的其他性质和表现来看，环绕和屏障碳原子核的六个电子才是关键。其中两个电子位于接近原子核的内层，对碳原子的化学性质毫无影响，也就是跟碳和其他元素的反应无关。剩下的四个电子位于最外层，性质活跃。就是这四个电子，让铅笔的石墨笔芯和订婚戒指的钻石大不相同。
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迷人的材料：10种改变世界的神奇物质和它们背后的科学故事 钻石是最昂贵的碳结构
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碳原子有很多选择，最简单的就是把四个电子跟另一个碳原子分享，形成四个化学键。这可以化解四个电子的活性，每个电子都有来自另一个碳原子的电子与之配对，形成非常稳固的晶体结构，也就是钻石。
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钻石的晶体结构
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目前人类发现的最大钻石位于银河系巨蛇座的巨蛇头，它是脉冲星PSR J1719-1438的卫星，体积为地球的五倍。相较之下，地球的钻石小得可怜，最大也只跟足球差不多，这颗钻石来自南非卡利南矿场，于1907年献给英王爱德华七世祝寿，目前属于英国王室的加冕珠宝。这枚钻石在地表下极深处形成，大约是地底三百公里左右，经过数十亿年的高温高压才从纯碳巨岩变成钻石，之后应该是由火山喷发带到地表，默默蛰伏了数百万年才被人类在矿坑里发现。
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我小时候经常被拎去博物馆，参观国立某某馆或某某院，而我不管去哪一馆哪一院，都觉得很无聊。我试着模仿大人的动作，带着若有所思的神情在馆里默默走动，或站在某一幅绘画或一尊雕塑前沉思，可惜没用，一点感觉或收获都没有。但去参观加冕珠宝就不同了，我一进去就迷上了，感觉就像进了阿拉丁的宝库。金饰和珠宝仿佛在对我说话，比艺术更基本、更原始，一股虔敬之情在我心中油然而生。事后回想起来，我觉得震慑我的不是金银财富，而是那纯粹的物质性。
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一大群参观者挤在“非洲之星”（卡利南矿场那枚全球最大的钻石切割完成后，命名为非洲之星）前面，光是瞥见它一眼就让我永生难忘。即使有一个身穿潮湿格子衬衫的大块头男人和一个啧个不停的印度妇人挡在我前面，我是从那男人的腋下看到的，依然让我印象深刻。在场有印度妇人也实在巧合，因为我后来看我父亲的百科全书时才发现，印度过去是钻石的唯一来源地，直到18世纪中叶其他地区（尤其是南非）也发现钻石才失去独占地位。
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事实上，每颗钻石都是一整块单晶。一颗钻石通常含有大约一千万亿亿（1，000，000，000，000，000，000，000，000）个原子，排列组合成完美的金字塔结构。就是这个结构让钻石拥有如此特别的性质。电子在这个结构中被牢牢锁住，非常稳固，因此钻石才会以硬度著称。钻石很透明，但色散率高得出奇，所以会让入射光分解为七色，产生耀眼的七彩光辉。
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极度坚硬加上色泽晶莹，让钻石成为几近完美的宝石。因为硬度高，所以几乎不会遭任何东西刮伤，可以永远保持切面完整、亮度无瑕，不仅能终生佩戴，甚至能抵受文明更迭。无论晴雨，在大风沙或丛林中佩戴，甚至洗衣时戴着，统统不用害怕。人类早在远古时代就知道钻石是世界上最坚硬的材质。钻石的英文diamond，源自古希腊文adamas，意思就是“不可改变”和“不会碎裂”的。
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