钻石变石墨

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。

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。

石墨的晶体结构

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。

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）。

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。

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。

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。