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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 [:1700544694]
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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 钻石变石墨
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然而，钻石并不久远，至少在地表上无法达到永恒。它的同胞兄弟石墨其实更稳定，钻石最终都会变成石墨，就连收藏在伦敦塔里的非洲之星也不例外。虽然得花上几十亿年才会看见钻石的改变，但对拥有钻石的人来说，这或许仍然是令人难过的消息。
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石墨的构造跟钻石完全不同，石墨是碳原子以六角形联结成的层状结晶，构造非常稳定坚固，碳原子间的键结强度也高过钻石。考虑到石墨通常当成润滑剂或铅笔的笔芯，它的碳原子键结强过钻石，还蛮令人意外的。
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石墨的晶体结构
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这个问题不难解释。石墨层内部的每一个碳原子，都跟另外三个碳原子共享四个电子，而钻石内的碳原子则和四个碳原子共享电子。这使得石墨层的电子结构跟钻石不同，虽然化学键更强，但缺点就是层与层之间缺乏多余的电子形成稳固的联结，只能靠材料世界的万用胶支撑，它是分子电场变动产生的弱吸引力，称为“范德华力”。蓝丁胶的黏性就是来自范德华力。由于受力时范德华力会最先瓦解，使得石墨非常柔软。这就是铅笔的原理。把石墨笔芯压在纸上会让范德华力瓦解，石墨层于是滑到纸上成为字迹。如果范德华力不这么弱，石墨会比钻石还坚硬。而这正是海姆团队的研究起点。
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仔细观察铅笔的石墨笔芯，就会发现它是深灰色的，并带有金属光泽，难怪几千年来一直被人误认，称它为“笔铅”或“黑铅”，而“铅”笔也是因此得名。分不清铅和石墨情有可原，因为两者都是软金属（现在改称石墨为半金属）。
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由于石墨不断出现新用途，例如非常适合铸造炮弹和枪弹，使得石墨矿也越来越值钱。17世纪和18世纪，石墨在英国贵得出奇，甚至有人挖掘秘密通道潜入矿坑偷取石墨，或是到矿场工作时趁机私下夹带。石墨的价格飙涨，走私和相关犯罪也不断增加，直到英国议会1752年通过立法对窃取石墨者处以重刑，最高可判一年劳役或流放澳洲七年，才遏止了这股歪风。1800年，石墨产业的规模更是庞大，所有石墨矿场入口都得由武装警卫站岗以保安全。
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石墨有金属光泽，钻石没有，原因同样来自石墨的六角结构。之前提过，钻石内部每个碳原子的四个电子都各有一个外来电子与之键结，因此晶格内的所有原子都被牢牢固定着，且没有“自由”电子。所以钻石不导电，因为晶格内没有电子可以自由活动以承载电流。然而，石墨内部碳原子的外层电子不仅会和隔壁碳原子的电子键结，还会形成一片电子汪洋。这会造成几个结果：首先是石墨可以导电，因为结晶内的电子跟液体一样可以自由活动。其次，爱迪生制作的首盏灯泡就是以石墨为灯丝，因为它的熔点高，就算强力电流通过，也只会散发白热光，不会熔化。而且电子海还是光的电磁跳跃床，会反射光线，使得石墨会如同其他金属一样散发光泽。不过，海姆和他的同伴可不是靠解释石墨的金属性质拿到诺贝尔奖的。这只是他们的研究起点。
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碳是地球上所有生物的生命基础。虽然那些碳和石墨差别很大，不过只要燃烧就能轻松变成石墨的六角形结构。木头加热会变成黑炭，面包也是，我们人类遇到火也会变得焦黑。然而，这些都不会产生黑亮的纯石墨，因为产生的石墨层并没有紧密叠合，而是零乱交错。焦黑的物质其实种类繁多，但有一个相同点：它们都含有最稳定的碳结构——六角薄层。
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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 [:1700544695]
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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 煤炭化为黑玉
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19世纪时又有一种焦黑物质蹿起，那就是煤炭。煤炭和烧焦的面包不同，它的碳原子六角形平面结构不是受热产生的，而是腐殖质经过数百万年的地质作用形成的。煤炭最初是泥炭，但在适当温度和压力的作用下会变成褐炭，接着转为烟煤或沥青煤，再变成无烟煤，最后成为石墨。在这个过程中，煤炭逐渐失去易挥发的成分，也就是腐殖质里原有的氮、硫和氧，变成越来越纯的碳。当六角形平面开始生成，煤炭就会出现金属光泽。这个特征在一些漆黑如镜的煤炭上特别明显，例如无烟煤。不过，煤炭很少是纯碳，所以烧起来有时味道才会那么重。
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由智利南洋杉石化而成的煤炭最具美感。它质地坚硬，可以凿切和抛光，散放美丽的乌黑光泽。这种煤炭又称为黑琥珀，因为它和琥珀一样能因摩擦而产生静电，让头发竖直。不过，黑玉才是它更广为人知的名字。19世纪，英国维多利亚女王为了悼念夫婿亚伯特王子的辞世，决定终生服丧，从此黑衣素服并佩戴黑玉首饰，立刻让黑玉蔚为时尚。
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大英帝国对黑玉的喜好突然大增，使得黑玉矿藏量丰富的约克郡惠特比镇（就是作家斯托克后来写下《吸血鬼德古拉》的地方）一夜之间全面停止生产燃料，改做悼念首饰，从此成为知名的黑玉珠宝重镇。
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过去若是宣称钻石跟煤炭以及石墨是同一种东西，一定会被笑是痴人说梦。一直到化学家开始观察钻石受热后的变化，局面才有所改观。
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1772年，化学之父拉瓦锡就这么做了。他加热钻石至火红，发现钻石燃烧后什么都没留下，一点不剩，仿佛彻底消失了。这个实验结果让他大为意外。其他宝石无论是红宝石或蓝宝石都能耐赤热，甚至白热，完全不会燃烧，而钻石身为宝石之王却似乎有着致命弱点。
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拉瓦锡接下来做的事情真是深得我心，充分展现了实验的优美之处。他在真空中加热钻石，不让空气与之反应，好加热到更高的温度。这个实验说易行难，尤其当时是18世纪，连要制造真空都不简单。然而，钻石受热后的反应让拉瓦锡瞠目结舌。钻石依然不耐赤热，但这回没有消失，而是变成了石墨：证明钻石和石墨确实由同一种物质组成，也就是碳。
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知道这一点后，拉瓦锡和无数的欧洲人便开始寻找逆转的方法，想把石墨变成钻石。找到的人就能一夜致富，因此所有人都争先恐后。然而，这是艰巨的任务，因为所有物质都倾向从不稳定态转变为稳定态，而钻石的结构比石墨稳定，所以需要极高的温度和压力才能反转这个过程。地壳下有这种条件，但仍需要数十亿年才能生成一枚巨钻，而在实验室模拟同样的环境非常困难。每隔几年就有人宣称成功，却又一次次被证明失败。投入实验的科学家没有人一夜致富，有人说这证明了没人成功，有人则怀疑成功的人秘而不宣，暗地里慢慢发财。
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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 [:1700544696]
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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 合成多种碳结构
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无论真相如何，一直到1953年才有可靠证据显示，真的有人做到了。如今人造钻石是非常庞大的产业，但仍旧无法跟天然钻石相抗衡。原因有几点：首先是虽然相关技术已经非常精进，使得小枚人造钻石的价格远低于开采得到的天然钻石，但这些钻石往往不够透明且有瑕疵，因为加速制造的过程会产生缺陷，使得钻石染到颜色。事实上，这些钻石几乎都用在采矿业，装配在钻探和切割工具上，不是为了美观，而是为了让工具能切开花岗岩和其他的坚硬石块。
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