鑽石（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，你在想什麼呢？」手上的鉛筆突然開口了。
「我在想你的『芯』是什麼做的。」小黑竟然也沒覺得奇怪。
「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，所以後來就被石墨替代了。」
「那石墨又是什麼？」小黑繼續追問。
「石墨是由一層層屬於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。但層與層之間並不是很緊密，可以相對滑動，所以石墨整體結構比較鬆散，你在紙上輕輕摩擦就落下來了。」
「難怪我削鉛筆一點也不費勁。這個碳原子和煤炭有什麼關係嗎？」
「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。你的身體裡也有很多碳原子，它們和其他原子相互組合，構成你細胞裡的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。」鉛筆耐心地向小黑解釋。
「原來碳就在我的身體裡呀。」
「不僅是在你和我的身體裡，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。」
「光是二氧化碳影響就這麼大啊！」
「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，比如石墨和鑽石，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。」
「什麼？石墨和鑽石也太不一樣了吧，一個又黑又軟，一個透明堅硬，怎麼都是碳原子組成的？」
「你可以把原子想像成積木，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係。石墨的結構正如前面提到的，比較鬆散，而構成鑽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徵，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，所以鑽石才那麼堅硬。至於它們不同的顏色，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。」
「這樣的話……我能不能把石墨的碳原子積木拆了，再拼成鑽石呢？」小黑以為自己發現了一個點「石」成「鑽」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鑽石結構，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，用它製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，只有頭髮的百萬分之一，但是卻擁有驚人的強度和韌性，鑽石可比不上。」
「石墨烯這麼厲害啊！那我寫鉛筆字的時候，是不是也可以製造出石墨烯？」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，你怎麼睡著了？」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。」小黑揉揉眼睛，手裡還拿著鉛筆。
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