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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 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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其次，钻石的价值主要来自它的“纯正”。求婚钻戒虽然跟人造钻石构造相同，却是在地底深处酝酿十亿年而形成的。再次，就算你超级理性，不在乎宝石的出身来历，购买人造钻石赠送爱人还是要价不菲。市面上有许多闪亮的替代品不仅便宜许多，而且同样璀璨耀眼，只有钻石专家才分得出真假，例如方晶锆石就是不错的选择，甚至玻璃也可以。
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不过，钻石的崇高地位除了受到石墨的强力挑战，还面临另一个打击，那就是它并非世上最硬的物质。1967年，人类发现碳原子还有第三种排列方式，能形成比钻石还坚硬的物质。这个物质名叫六方晶系陨石钻石，结构以石墨的六角形平面为基础，只是改为立体构造，据称硬度比钻石高出58％，但由于数量太少，所以很难测试。最早的样本是在美国亚利桑纳州迪亚布洛峡谷（Canyon Diablo）的陨石上发现的，高热和巨大的撞击力把石墨变成了六方晶系陨石钻石。
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没有人用六方晶系陨石钻石做成婚戒，因为产生六方晶系陨石钻石的陨石撞击非常罕见，而且也只会生成极小的晶体。但发现碳的第三种排列方式还是不免引来好奇，除了钻石的立方体结构，煤炭、黑玉、木炭和石墨的六角形结构及六方晶系陨石钻石的三维六角形结构之外，会不会还有其他的排列方式存在？感谢航空工业，第四种排列方式很快就有人合成出来了。
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飞机早期多由木材制成，因为木材质轻而硬。第二次世界大战期间，速度最快的飞行器其实是名叫“蚊式轰炸机”的木造飞机。然而，使用木材制作飞机骨架问题不少，因为很难做出无缺陷结构。因此当工程师想做出更大的飞行器时，便转而采用一种名叫铝的轻金属。但铝还是不够轻，所以许多工程师绞尽脑汁希望找出比铝更轻、更坚固的材料。这种材质似乎不存在，于是1963年英国皇家航空研究院的工程师决定自己来发明。
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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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