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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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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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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