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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 [:1700544697]
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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 更轻更强的碳纤维
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他们为这个材质命名为碳纤维，方法是把石墨纺成细丝。细丝织成布料再纵向卷起，就会有极高的强度和硬度。不过它的弱点跟石墨一样，就是仍然要依靠范德华力，但这问题只要用环氧胶包住纤维就可以解决了。于是一种全新的材质就此诞生，那就是碳纤维复合材料。
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虽然碳纤维日后确实取代了铝成为制造飞机的材料（几年前问世的波音787，机体的七成是使用碳纤维复合材料），但这中间耗费了不少光阴。体育用品制造商可是立刻就爱上了这个材料。它一举提升了球拍的效能，使得死守铝和木材等传统材质的球拍，很快就被超越了。
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我还清楚记得我朋友詹姆士拿着碳纤维网球拍来球场的那一天。球拍上碳纤维的黑色方格纹路非常明显。比赛前，他先把球拍借我，让我打几球感受它的轻盈与威力，然后拿回球拍，在比赛中把我打得落花流水。跟一个球拍比你轻一倍，力量比你大一倍的人打球，实在非常令人丧气。我朝他大吼：“你碳狠了！”可惜没用。
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没多久，这个材料便横扫所有能用它制作出更轻、更强力器材的运动。基本上就是所有的运动。20世纪90年代，工程师开始用碳纤维制造更符合空气动力学的单车，从此改写了自行车竞赛。其中最经典的例子，或许是英国自行车传奇博德曼（Chris Boardman）和劲敌欧伯利（Graeme Obree）争夺“一小时纪录”的比赛。这项比赛是要了解人类单凭体力，能在一小时内骑多远。两位选手于20世纪90年代凭借制作越来越精良的碳纤维单车，不仅持续突破世界纪录，也不断打破对方的纪录。1996年，博德曼骑出一小时56.375公里的纪录，引发了国际自行车联盟的强烈反弹，立即下令禁用碳纤维单车，因为他们深怕这个新材料会彻底改变自行车运动的本质。
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一级方程式赛车的做法完全相反。他们经常改变规则，以强迫车队在材料设计上不断创新。的确，科技领先是赛车运动不可或缺的一部分，而胜利不只是出于车手的驾驶技术，更来自工程设计的突破。
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除了车类竞赛，连赛跑都受到碳纤维的影响，使用碳纤维义肢的残障选手越来越多，终于使得国际田径总会在2008年下令禁止这些运动员和体格健全的一般选手同场竞技，因为他们认为碳纤维义肢会造成不公平的竞争优势。不过，这项命令遭到国际体育仲裁法庭的否决。2011年，南非短跑选手“刀锋战士”皮斯托瑞斯参加了南非世界田径锦标赛的男子400米接力，全队获得了银牌。除非田径联盟采取自行车联盟的做法，否则碳纤维注定会在田径竞赛上扮演更重要的角色。
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碳纤维复合材料空前成功，让不少工程师开始幻想追求最不可能的目标。他们问道：这个质地强韧的材料是不是能实现人类长久以来的梦想，兴建一座电梯直达太空？太空电梯计划又称为天钩、天梯或宇宙缆车计划，目的在兴建一条通道，连接赤道和赤道正上空的同步人造卫星。这个计划若能完成，外太空旅行将立刻成为人人负担得起的活动，所有人员和货品都可以轻松送上太空，几乎不必耗费能源。
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俄国工程师阿特苏塔诺夫（Yuri Artsutanov）于1960年率先提出这个构想，希望建造一条长达3.6万公里的缆线，连接卫星和赤道上的定点船只。所有研究都显示他的构想确实可行，但制作缆线的材料必须具备极高的强度重量比。之所以要考虑重量，是因为搭建任何缆线结构前，都必须先考虑它能否支撑自己而不致绷断。因此以3.6万公里长的缆线来说，每股缆线的强度必须能举起一头大象，但即使顶级碳纤维也只能举起一只猫。不过，这是因为碳纤维缺陷太多。理论计算清楚指出，只要能做出纯碳纤维，它的强度就会大幅提高，甚至超过钻石。于是所有人开始寻找方法，希望做出这样的材料。
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另外一种碳原子排列方式的出现为搜寻者带来了曙光，而且出自一个众人都始料未及的地方，那就是蜡烛的烛焰。1985年，克洛图（Harold Kroto）教授的研究团队发现烛火内的碳原子竟然会自行集结成超分子，而且都恰好包含60个原子。这些超分子外观有如巨大的足球，而建筑师巴克敏斯特•富勒正好设计过结构相同的六角网格球顶，因此这些超分子也称为“富勒烯”。克洛图的研究团队因为这项发现而获颁1996年的诺贝尔化学奖，同时也让世人明白了一件事：微观世界里可能还包含许多人类未曾见过的碳原子排列方式。
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“富勒烯”的分子结构
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碳原子几乎一夜之间成了材料科学最热门的研究对象，而且另一种碳原子的排列方式很快就出现了。
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在新的结构中，碳原子会形成直径只有几纳米宽的长管，虽然结构复杂，却有一个特殊性质，那就是它会自行集结，完全无需外力就能自行合成复杂的纳米管，也不需要高科技器材协助，在蜡烛的烟里就能成形。这感觉就跟发现微生物一样，世界突然变成一个比我们想象得更复杂、更神奇的地方。不只是生物能自行合成复杂的结构，非生物世界也可以。世人开始着迷于制造和研究纳米分子，纳米科技也蔚为风潮。
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纳米碳管的分子结构
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纳米碳管很像迷你的碳纤维，只少了微弱的范德华力。科学家发现它是地球上强度重量比最高的物质，因此或许能用来制造太空电梯。所以问题解决了吗？其实不尽然。纳米碳管通常只有几百纳米长，但必须达数米长才能用来制作缆线。目前全球有数百个纳米科技研究小组正努力解决这个问题，但海姆的团队却没这么做。
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海姆的团队问了一个更简单的问题：既然这些新的碳原子排列方式都以石墨的六角形结构为基础，而石墨本身又是一层层六角形平面堆栈而成的，那为何石墨不是我们在找的魔术材料？答案是，六角形平面状的石墨层太容易彼此松动，使得石墨非常脆弱。但要是只有一层石墨层呢？那会是什么状况？
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海姆端着咖啡回到办公室时，我手里依然拿着他的奖牌。虽然是他要我拿出来看的，我还是微微有一点罪恶感。他放下咖啡，从我手中取走奖牌，放了一块来自英国坎布里亚郡石墨矿场的纯石墨到我掌心里，跟我说这块石墨是他到矿场拿的。他当时在曼彻斯特大学做研究，矿场就在同一条路上。说完他开始解释他的团队如何做出单层的碳原子六角形平面。
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他撕了一小条胶带贴在那块石墨上，随即把它撕下。只见胶带上黏了一层散发着金属光泽的石墨薄片。接着他又撕了一小条胶带贴在石墨薄片上，再撕开。薄片顺利分成了两半。反复四五次之后，石墨薄片越来越细薄，最后他说其中有些石墨的厚度只剩一个原子了。我看了看他手上的胶带，只见上头有几个小黑点，但我不敢小觑，只好目不转睛地盯着看。海姆笑着说：“你不可能看见的，一个原子厚的石墨是透明的。”我故意用力点头假装知道。接着海姆带我到隔壁用显微镜看，这样就能瞧见石墨的原子层了。
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海姆的团队拿到诺贝尔奖不是因为做出单层石墨，而是发现单层石墨的性质非常特别，就算放在纳米世界中也一样奇特，应该将它视为一种新材质，并且取个名字。他们决定叫它“石墨烯”。
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