化學(xué)元素的單(純物)質(zhì)所存在不同形式的分子和晶體稱(chēng)為這個(gè)元素的同素異形體（Allotrope）。元素C的同素異形體”球碳”C60的發(fā)現(xiàn)使三位科學(xué)家分享1996年諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)，僅隔16年，C的另一同素異形體”石墨烯”的分離使兩位科學(xué)家分享2010年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。1991年C60被美國(guó)《科學(xué)》選為年度明星分子，石墨烯當(dāng)然也不愧為新明星分子了！

不禁要問(wèn)：元素C究竟有多少個(gè)同素異形體呢？今后還會(huì)出現(xiàn)新的C明星分子出現(xiàn)嗎？

如果按單質(zhì)的物相進(jìn)行分類(lèi)，大致可以將C同素異形體按結(jié)晶體，無(wú)定形體和氣態(tài)分子Cn (n = 1, 2, 3, …)分別討論。不過(guò)我們感興趣是組成和結(jié)構(gòu)了解比較清楚，與我們生活關(guān)系密切而在自然界可呈晶態(tài)的同素異構(gòu)體，如金剛石，石墨，球碳和鏈形碳化合物等幾大同素異形體家族。其中我們對(duì)金剛石和石墨兩家族了解最早，而從石墨分離出來(lái)的石墨烯最新。

金剛石晶體主要呈立方晶系對(duì)稱(chēng)，此外在自然界還有呈六方晶系的同素異構(gòu)體，結(jié)構(gòu)對(duì)應(yīng)于立方和六方硫化鋅。二者的C原子均以sp3軌道四面體型成鍵，盡管這不是C原子的密堆積方式，金剛石卻是自然界最硬的物質(zhì)，人們把它的Mohr硬度定為10，在人類(lèi)生產(chǎn)和生活中具有重要的價(jià)值。有意思的是，金剛石中C-C距離1.54埃，但不是C-C最短鍵長(zhǎng)！

石墨晶體可描繪為石墨烯堆積起來(lái)的三維結(jié)構(gòu)。石墨烯是C原子以sp2軌道三角型成鍵的單分子層平面大分子，層與層之間按范德華鍵，即分子間弱相互作用力堆砌成石墨晶體。由于堆砌的周期不同，石墨有兩個(gè)主要同素異構(gòu)體，即按ABABAB。。。六方堆砌的α – 型和按ABCABC。。。三方堆積的β – 型結(jié)構(gòu)。當(dāng)然，在自然界大量存在更為復(fù)雜的堆積方式。

與上兩者不同，球碳的C原子分布在二維空間的曲面上，連結(jié)方式是以sp2 - sp3 混合軌道的三角錐型成鍵，容納了六元C環(huán)與五元C環(huán)的和諧共處，從而出現(xiàn)常見(jiàn)的“足球”等。球碳是一個(gè)包括圓球和橢球等等的大家族，若把碳納米管看成是拉得很長(zhǎng)的管狀球碳的話，要回答碳有多少同素異形體真是一言難盡，更別說(shuō)碳元素所形成的那千變?nèi)f化的有機(jī)化合物了。

不論球碳還是石墨烯，這些明星分子皆是客觀本已存在的大自然母親的傑作。它們被發(fā)現(xiàn)增加人們的科學(xué)認(rèn)知，它們所具有的特殊性能鼓勵(lì)科學(xué)家們繼續(xù)研究，甚至于探尋自然界沒(méi)有的特殊性能的材料。 “晶體工程”就是我們向大自然挑戰(zhàn)，而不僅僅滿足于她的恩賜。超導(dǎo)，超強(qiáng)，超硬，超輕，以及超密高能材料等等，我們面臨的挑戰(zhàn)和創(chuàng)新的機(jī)會(huì)太多了！

試問(wèn)：難道沒(méi)有可能合成比金剛石還硬的物質(zhì)嗎？人們對(duì)此期待久矣！從碳?xì)浠衔镏幸阎?/span>C – C單鍵鍵長(zhǎng)可小到 1.44 埃，這比金剛石的C原子間的距離 1.54 埃要短到 0.1埃之多。理論計(jì)算業(yè)已證明，某種超四面體烷烴以C – C單鍵連結(jié)起來(lái)時(shí)就可能接近此超短的距離。于是有人在那里“玩游戲”了，真說(shuō)不準(zhǔn)有朝一日再有碳的同素異形體成為新的明星分子。

  你不會(huì)認(rèn)為這是天方夜譚吧，抑或你會(huì)對(duì)此樂(lè)觀其成？說(shuō)不準(zhǔn)你會(huì)樂(lè)此不疲參與其中哩！