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鉛筆和鉆石

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鉆石(左)和石墨(右)的結構
小黑正在寫作業,看著紙上灰黑色的鉛筆筆跡,走了神……
“嘿,小黑,你在想什么呢?”手上的鉛筆突然開口了。
“我在想你的‘芯’是什么做的?!毙『诰谷灰矝]覺得奇怪。
“雖然你們管我們叫鉛筆,但我們的芯主要是用石墨做的。不過以前的鉛筆的確用到了鉛,但鉛是一種有毒的重金屬,所以后來就被石墨替代了?!?/div>
“那石墨又是什么?”小黑繼續追問。
“石墨是由一層層屬于碳元素的碳原子構成的,每一層碳原子都排列成很多個整齊的正六邊形。但層與層之間并不是很緊密,可以相對滑動,所以石墨整體結構比較松散,你在紙上輕輕摩擦就落下來了?!?/div>
“難怪我削鉛筆一點也不費勁。這個碳原子和煤炭有什么關系嗎?”
“煤炭主要就是由碳原子、氫原子、氧原子等微觀粒子構成的,它們原本是地球生物的一部分,這些生物的遺體長時間被埋在地底,經過億萬年的轉化變成了煤炭。你的身體里也有很多碳原子,它們和其他原子相互組合,構成你細胞里的DNA、蛋白質、脂肪等重要的有機大分子。地球上的其他生物也都離不開碳,所以你們都被稱作碳基生物?!便U筆耐心地向小黑解釋。
“原來碳就在我的身體里呀?!?/div>
“不僅是在你和我的身體里,碳是無處不在的,你呼吸的空氣中也是。其中的二氧化碳就是由一個碳原子和兩個氧原子結合形成的。生物的呼吸作用、汽車和工廠消耗燃料都會釋放二氧化碳。它們可以被植物吸收,和水分子一起,用來合成氧氣和有機物。但是過量的二氧化碳被排放到大氣中,就會加劇溫室效應,導致冰川融化,海平面上升;造成海洋酸化等等,影響到地球生命的生存?!?/div>
“光是二氧化碳影響就這么大??!”
“沒錯,總的來說,碳對我們非常重要,它可以和其他元素的原子組合成各種各樣的物質,也可以自己單獨形成不同物質,比如石墨和鉆石,都只由碳原子構成,是一種單質(由單一元素構成的物質),而由同種元素構成的不同結構的單質就叫做同素異形體?!?/div>
“什么?石墨和鉆石也太不一樣了吧,一個又黑又軟,一個透明堅硬,怎么都是碳原子組成的?”
“你可以把原子想象成積木,而碳原子是其中的一種,同樣的積木,既可以搭建出非常堅固的小房子,也可能拼出一碰就倒的‘危樓’,所以物質表現出來的性質不僅與組成它們的原子種類有關,也與原子的排列方式有很大關系。石墨的結構正如前面提到的,比較松散,而構成鉆石的碳原子則排列成了正四面體結構,具有空間立體網狀的結構特征,也就是每個碳原子周圍有4個等距、等角度排列的碳原子,構成了正四面體的4個頂點。這種結構非常牢固,所以鉆石才那么堅硬。至于它們不同的顏色,也是因為不同的結構,對光線產生了不同的吸收和反射效果?!?/div>
“這樣的話……我能不能把石墨的碳原子積木拆了,再拼成鉆石呢?”小黑以為自己發現了一個點“石”成“鉆”的秘密。
“這個想法科學家已經嘗試過了,他們的確成功地把石墨結構轉變成了鉆石結構,但是這需要超高壓力或者其他特殊的反應條件,我的‘芯’可不想承受……不過別覺得石墨就不起眼了,用它制成的石墨烯可是有大用途的。石墨烯就是從石墨上剝離下來的單層碳原子,是目前世界上最薄的材料,只有頭發的百萬分之一,但是卻擁有驚人的強度和韌性,鉆石可比不上?!?/div>
“石墨烯這么厲害??!那我寫鉛筆字的時候,是不是也可以制造出石墨烯?”小黑拿起鉛筆蠢蠢欲動。
“的確有可能,不過要取下來,可就難了……”鉛筆話音未落,小黑就已經開始奮筆疾書……
“小黑,你怎么睡著了?”這時候媽媽走了進來,發現小黑趴在自己的作業上睡著了。
“媽媽,我在用鉛筆創造石墨烯呢?!毙『谌嗳嘌劬?,手里還拿著鉛筆。
參考資料:
http://www.sciencekids.co.nz/sciencefacts/chemistry/carbon.html
https://phys.org/news/2014-03-graphite-diamond.html
作者:Mirror
審稿:吉鵬舉,清華大學基礎分子科學中心助理研究員
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