一、結(jié)構(gòu)決定性質(zhì)

       “結(jié)構(gòu)決定性質(zhì)”,有些物質(zhì)雖然都是由同樣的元素構(gòu)成，但是內(nèi)部結(jié)構(gòu)不同，性質(zhì)就大相徑庭。通俗點(diǎn)說，同樣一群人，排不同的陣勢(shì)去打仗，發(fā)揮的效果是不一樣的。
碳元素是個(gè)大家庭，有眾多同素異構(gòu)體。雖然都由碳原子構(gòu)成，但由于擁有各種不同的分子晶體結(jié)構(gòu)，所以它們的物理性質(zhì)截然不同，差別極大。比如，以最普通的成員金剛石及石墨為例，它們的許多物理性質(zhì)分別位于兩個(gè)極端：石墨性軟，鉆石卻是最硬的礦石。石墨是良導(dǎo)體，鉆石是絕緣體。石墨烏黑不透明，鉆石晶瑩剔透閃亮光。石墨極為普通隨處可見，鉆石卻是價(jià)值昂貴的珠寶。
       碳的同素異構(gòu)體中，石墨是碳原子以SP2雜化軌道相互成鍵的，SP2雜化軌道的成鍵特征，決定了石墨是一種平面六方的層狀結(jié)構(gòu)。由于層間靠較弱的范德華力結(jié)合，所以層與層之間很容易滑移。這種性質(zhì)使石墨可用于潤滑劑和鉛筆芯之中。此外，原子層之間較弱的范德華鍵也讓一些電子可以沿層面自由流動(dòng)，使石墨成為良好的導(dǎo)電體。

       金剛石是碳原子以SP3雜化軌道形成的正四面體結(jié)構(gòu)，是由具有飽和性和方向性的共價(jià)鍵結(jié)合起來的晶體。硬度、熔點(diǎn)、耐磨性都極高，而且不導(dǎo)電。

       碳的其他同素異形體結(jié)構(gòu)，還有石墨烯、碳納米管、富勒烯（C60）等，基本上都以類似的平面正六邊形結(jié)構(gòu)為主，有時(shí)也混雜了一些五邊形和七邊形。這些不同結(jié)構(gòu)各有特點(diǎn)，如果忽略很小的納米尺度，從幾何維數(shù)來分類，可以將碳納米管看成是1維結(jié)構(gòu)，石墨烯是2維結(jié)構(gòu)，富勒烯則可以算是點(diǎn)狀的0維結(jié)構(gòu)，最典型的富勒烯是擁有60個(gè)碳原子的巴克球C60，其結(jié)構(gòu)與一個(gè)現(xiàn)代足球類似。

       二、碳家族來了新成員

       在富勒烯（C60）的基礎(chǔ)上，科學(xué)家們還研發(fā)了兩種不同形態(tài)的金剛石：非晶態(tài)金剛石和次晶態(tài)金剛石，這兩種結(jié)構(gòu)既保留了金剛石的硬度，又改善了原始金剛石的脆性，有著更強(qiáng)大的力學(xué)性質(zhì)和熱穩(wěn)定性。該研究成果曾在線發(fā)表于權(quán)威學(xué)術(shù)期刊《自然》雜志上。
       次晶態(tài)金剛石的合成除了填補(bǔ)理論上的空白，更具備廣泛的應(yīng)用價(jià)值。它除了具有和普通晶體金剛石相當(dāng)?shù)牧W(xué)性能以外，還有非常獨(dú)特的可調(diào)節(jié)的光學(xué)性能?！斑@意味著次晶態(tài)金剛石可能會(huì)是一個(gè)極端條件下非常良好的窗口材料?！庇捎诖尉B(tài)金剛石具有非常寬的熒光峰和較高的熱穩(wěn)定性，預(yù)期未來將在包括生物醫(yī)學(xué)等在內(nèi)的多個(gè)領(lǐng)域產(chǎn)生更加廣泛的應(yīng)用。
       另一個(gè)新成員非晶態(tài)金剛石結(jié)構(gòu)中，SP3碳的比例可以達(dá)到97.1%。這種新型材料的硬度與抵抗形變的能力與天然金剛石相當(dāng)，是已有的非晶質(zhì)材料中硬度、熱導(dǎo)率最高的。
       這兩項(xiàng)研究不僅為龐大的碳家族添加了兩個(gè)全新的成員，還為更多應(yīng)用提供了可能性。相比于常規(guī)的晶體金剛石，次晶態(tài)與非晶態(tài)的金剛石有著更突出的力學(xué)性質(zhì)。此外，它們的熱穩(wěn)定性也更優(yōu)越，因此在精細(xì)加工和一些極端環(huán)境中或?qū)碛袕V闊的應(yīng)用前景。

       碳材料幾乎包括了地球上所有物質(zhì)所具有的的性質(zhì)。在科學(xué)家們的探索中，還有很多新型碳材料在不斷發(fā)現(xiàn)中。可以說沒有哪種元素能像碳這樣，作為單一元素可形成如此之多的結(jié)構(gòu)和性質(zhì)完全不同的物質(zhì)。這也正是碳元素的魅力所在！