铅笔和钻石
钻石（左）和石墨（右）的结构
小黑正在写作业，看着纸上灰黑色的铅笔笔迹，走了神……
“嘿，小黑，你在想什么呢？”手上的铅笔突然开口了。
“我在想你的‘芯’是什么做的。”小黑竟然也没觉得奇怪。
“虽然你们管我们叫铅笔，但我们的芯主要是用石墨做的。不过以前的铅笔的确用到了铅，但铅是一种有毒的重金属，所以后来就被石墨替代了。”
“那石墨又是什么？”小黑继续追问。
“石墨是由一层层属于碳元素的碳原子构成的，每一层碳原子都排列成很多个整齐的正六边形。但层与层之间并不是很紧密，可以相对滑动，所以石墨整体结构比较松散，你在纸上轻轻摩擦就落下来了。”
“难怪我削铅笔一点也不费劲。这个碳原子和煤炭有什么关系吗？”
“煤炭主要就是由碳原子、氢原子、氧原子等微观粒子构成的，它们原本是地球生物的一部分，这些生物的遗体长时间被埋在地底，经过亿万年的转化变成了煤炭。你的身体里也有很多碳原子，它们和其他原子相互组合，构成你细胞里的DNA、蛋白质、脂肪等重要的有机大分子。地球上的其他生物也都离不开碳，所以你们都被称作碳基生物。”铅笔耐心地向小黑解释。
“原来碳就在我的身体里呀。”
“不仅是在你和我的身体里，碳是无处不在的，你呼吸的空气中也是。其中的二氧化碳就是由一个碳原子和两个氧原子结合形成的。生物的呼吸作用、汽车和工厂消耗燃料都会释放二氧化碳。它们可以被植物吸收，和水分子一起，用来合成氧气和有机物。但是过量的二氧化碳被排放到大气中，就会加剧温室效应，导致冰川融化，海平面上升；造成海洋酸化等等，影响到地球生命的生存。”
“光是二氧化碳影响就这么大啊！”
“没错，总的来说，碳对我们非常重要，它可以和其他元素的原子组合成各种各样的物质，也可以自己单独形成不同物质，比如石墨和钻石，都只由碳原子构成，是一种单质（由单一元素构成的物质），而由同种元素构成的不同结构的单质就叫做同素异形体。”
“什么？石墨和钻石也太不一样了吧，一个又黑又软，一个透明坚硬，怎么都是碳原子组成的？”
“你可以把原子想象成积木，而碳原子是其中的一种，同样的积木，既可以搭建出非常坚固的小房子，也可能拼出一碰就倒的‘危楼’，所以物质表现出来的性质不仅与组成它们的原子种类有关，也与原子的排列方式有很大关系。石墨的结构正如前面提到的，比较松散，而构成钻石的碳原子则排列成了正四面体结构，具有空间立体网状的结构特征，也就是每个碳原子周围有4个等距、等角度排列的碳原子，构成了正四面体的4个顶点。这种结构非常牢固，所以钻石才那么坚硬。至于它们不同的颜色，也是因为不同的结构，对光线产生了不同的吸收和反射效果。”
“这样的话……我能不能把石墨的碳原子积木拆了，再拼成钻石呢？”小黑以为自己发现了一个点“石”成“钻”的秘密。
“这个想法科学家已经尝试过了，他们的确成功地把石墨结构转变成了钻石结构，但是这需要超高压力或者其他特殊的反应条件，我的‘芯’可不想承受……不过别觉得石墨就不起眼了，用它制成的石墨烯可是有大用途的。石墨烯就是从石墨上剥离下来的单层碳原子，是目前世界上最薄的材料，只有头发的百万分之一，但是却拥有惊人的强度和韧性，钻石可比不上。”
“石墨烯这么厉害啊！那我写铅笔字的时候，是不是也可以制造出石墨烯？”小黑拿起铅笔蠢蠢欲动。
“的确有可能，不过要取下来，可就难了……”铅笔话音未落，小黑就已经开始奋笔疾书……
“小黑，你怎么睡着了？”这时候妈妈走了进来，发现小黑趴在自己的作业上睡着了。
“妈妈，我在用铅笔创造石墨烯呢。”小黑揉揉眼睛，手里还拿着铅笔。
参考资料：
http://www.sciencekids.co.nz/sciencefacts/chemistry/carbon.html
https://phys.org/news/2014-03-graphite-diamond.html
作者：Mirror
审稿：吉鹏举，清华大学基础分子科学中心助理研究员
