都是純碳，鉆石和石墨差異咋就這么大呢？

材料牛注：一個是bling-bling閃閃發光的鉆石，一個是漆黑的低到塵埃里的石墨，大家都是碳，正所謂本是同根生，差異咋就這么大呢？讓瓦瑟學院的化學教授Miriam Rossi告訴你原因吧！

金剛石和石墨都是完全由碳組成的，新近發現的富勒烯（含60個碳原子足球狀分子）也是如此。然而，三種材料中碳原子的空間排列是不同的，這也使它們成為碳的同素異形體。金剛石和石墨在性質上的巨大差異也是源于他們不同的晶體結構。

在鉆石中，碳原子排列呈四面體形，每個碳原子以鍵角為109.5°的C-C鍵與距離其1.544×10^(-10)m的四個碳原子相連，以這種方式無限連接的原子形成了堅固的剛性三維結構，正是這一結構給予了金剛石高強度、高硬度及耐久性，也使得金剛石的密度大于石墨（3.514g/cm³）。因為具有這種四面體結構，金剛石也表現出很大的抗壓縮性。晶體的硬度由莫氏硬度（Mohs scale，由Friederich Mohs提出）表征，這是根據劃傷其他材料的能力來對材料硬度進行排列的方法。金剛石則是目前已知的最硬的天然材料（莫氏硬度為10），它可以劃傷其他所有材料。同時，金剛石也是我們所知道的最好的導熱材料，其導熱能力是銅的五倍。金剛石也可以傳聲，但它不導電，是絕緣體，它的電阻、光透射率及化學惰性都十分顯著。

此外，金剛石會分光，這意味著金剛石對于紅光和紫光的折射率是不同的，分別為2.409和2.465。因此，雕琢后的金剛石可作為棱鏡將白光分成彩虹的顏色，其分光的分辨率為0.056（折射率差值）。分散性越大，則得到的色譜越好。這一性質使金剛石“火”了起來。金剛石的“光彩”是由折射、內部反射以及光的分散組合形成的。例如，對于黃燈來說，鉆石具有高達2.4的折射率和24.5°的較低臨界角，這意味著當黃光進入金剛石且到達內部第二面的角度大于24.5°時，則它不能通過從晶體進入外部的空氣中，而是會被反射回金剛石內部。

石墨中的碳原子也排列在一個無限空間點陣中，呈片層狀，這些原子與其他原子的相互作用類型有兩種。一，每個碳原子占據正六邊形的一個頂點并且與周圍的三個碳原子成鍵，鍵角為120°，這種平面點陣在二維平面上延伸形成水平的、六邊形的“雞籠狀”的陣列；二，這些平面陣列之間以微弱的作用力連接，兩層之間的間距（3.347×10^(-10)m）大于每層碳原子之間的距離（1.148×10^(-10)m）。石墨的物理性能正是源于這種三維結構。不同于金剛石，石墨可用于潤滑劑或鉛筆中，因為其層與層之間很容易發生滑動。石墨軟而滑，并且其硬度低于莫氏硬度可表征的范圍，密度（2.266g/cm³）低于金剛石。石墨這種片層結構使電子易運動，因此石墨可導電導熱，也可以吸收光而呈現出不同于金剛石的黑色。

原文鏈接：How can graphite and diamond be so different if they are both composed of pure carbon?

本文由編輯部糯米提供素材，趙玲編譯，劉宇龍審核。