碳的同素異形體點點名
顏宏儒／中研院化學所助研究員，致力於奈米石墨烯和儲能材料相關研究。
「石墨（graphite）」一詞聽起來或許有些陌生，但只要撥開日常生活中常見的碳鋅電池，就可以看到裡頭的黑色石墨棒；再生活化一點來說，鉛筆的筆芯也是經由石墨和黏土混合而製成。而更令人難以相信的是，又黑又軟的鉛筆筆芯和堅硬又漂亮的鑽石，兩者都是由碳原子組成，但為什麼性質會差那麼多呢？
不一樣，都一樣？其實我們是同素異形體啦！
石墨與鑽石其實是「同素異形體（allotropy）」，而同素異形體是指由同一種化學元素所組成，但其結構、物理性質、化學性質或形態不相同的單質。碳原子最常見的同素異形體為鑽石和石墨，雖然兩者都是由碳原子建構而成的，但它們卻顯現完全不同的性質，這是由於它們的原子以不同的方式連結在一起。除了石墨與鑽石之外，碳原子還有許多不同的同素異形體，本文將介紹碳原子如何架構成不同形式的單質，以及這些單質的原子結構及特性，這些單質包括石墨、鑽石、富勒烯、奈米碳管與石墨烯（圖一）。
▲圖一：有許多同素異形體的碳原子
鉛筆真的不含「鉛」 石墨才是本體
石墨又稱黑鉛（black lead），具有耐腐蝕性。石墨這個詞由 18 世紀的德國地質學家維爾納（Abraham Gottlob Werner）所命名，其希臘文的意思是「書寫」。在 16 世紀英國人發現大量純石墨礦藏後，石墨立刻成為鵝絨筆及墨水之外的簡便替代品──也就是後來的鉛筆。
在石墨中，碳原子皆以層狀排列，每個碳原子與周圍的3個碳原子經由共價鍵連結，形成六角形的層狀結構，而層與層之間有微弱的凡得瓦力（Van der Waals force）。在石墨的層狀結構中，每層碳原子都排成蜂窩狀晶體結構，層內原子的間距為 0.142 奈米（nm），層間距 0.335 奈米。
這種層與層間較弱的吸引力，不僅使石墨成為最軟的礦物之一，也讓它的每一層原子可以輕易地在另一層原子上滑動。而石墨的原子層之間易滑動的特點，讓石墨可做為鉛筆筆芯和潤滑劑使用。此外，原子層之間弱的吸引力也讓少數電子可沿著層面流動，使石墨成為良好的導電體。
一顆永流傳，自然界硬度最大的鑽石
鑽石（diamond）是由碳原子組成的無色晶體，也是地球上已知最堅硬的物質。鑽石中的每一個碳原子，都與附近的 4 個碳原子以化學鍵互相連接，鄰近原子間的距離為 0.154 奈米，相鄰的鍵所構成的夾角為 109.5 度（圖二）。
▲圖二：鑽石中的每一個碳原子，都與附近的 4 個碳原子以化學鍵互相連接，組成了堅固嚴密的四面體結構，其分子結構質地十分堅硬，莫氏硬度高達 10。圖片來源／123RF，圖片提供／顏宏儒
在鑽石中，碳原子組成了堅固嚴密的四面體結構，這個看起來巨大的分子結構質地十分堅硬，莫氏硬度註高達 10，為自然界中硬度最大的物質，堪稱「硬度之王」。
像顆足球的超小型膠囊──富勒烯
長久以來，科學家一直以為碳原子只有石墨與鑽石兩個同素異形體。直到 1985 年，化學家柯爾（Robert Curl）、克羅托（Harold Kroto）和斯莫利（Richard Smalley）於實驗中無意地發現：石墨經高能量雷射撞擊後可形成氣體，再將氣體昇華後能得到碳族中較穩定的二種物質，若將其置於質譜儀上，實驗結果令人驚訝：這是二種物質重量分別為 60 個與 70 個碳原子連接起來的大分子，因此將它們定名為「碳 60（C60）」與「碳 70（C70）」，而這二種物質在他們的實驗中反覆出現，也引起他們好奇。
經過仔細分析後，他們發現碳 60 是由 12 個五邊形和 20 個六邊形交錯構成的封閉中空球體，而每一個五邊形旁都有 5 個六邊形緊接著，結構相當穩定。這樣的結構正是美國建築家富勒（Richard Buckminster Fuller）於 1940 年代創始的泡型圓頂建築的縮影，該建築於 1954 年獲美國專利，因此他們就把碳 60 命名為巴克明斯特富勒烯（Buckminsterfullerene），簡稱為富勒烯（fullerene）；也由於它看起來像顆足球，又被稱作巴克球（buckyball），這也是目前已知對稱性最高的球狀分子。
後續科學家們的研究更發現：碳 60 並不會被人類的胃酸腐蝕，也不會被免疫系統當作入侵體內的異物，再加上它比一般生物體的細胞來得小，容易穿透細胞膜，可被製成各式抗體藥物，也能使愛滋病毒的酵素失去複製能力，因此被用來對抗愛滋病毒；此外，它中空的構造更可以攜帶藥物，做為「超小型膠囊」使用。柯爾、克羅托與斯莫利也因此於 1996 年獲得諾貝爾化學獎。
奈米碳管──太空電梯的好纜繩？
當科學家紛紛投入巴克球的研究時，日本筑波 NEC 實驗室的物理學家飯島澄男（Sumio Iijima）在 1991 年製作巴克球時，觀察到碳原子會排列成中空管狀，因而發現了碳的第 4 種 同素異形體：奈米碳管（carbon nanotube）。
奈米碳管可視為由石墨層捲曲起來的中空構造，平均半徑為 1.2 奈米，直徑在幾奈米～幾十奈米之間，長度可達數微米（μm），根據管壁層數的不同，可分為單壁（single-wall）奈米碳管和多壁（multi-wall）奈米碳管。前者僅由一層碳原子繞合形成管柱，結構對稱性極高，且缺陷較少；後者則是由多層碳原子捲起而形成的同軸碳管，橫切面就像樹的年輪一般，各層間距為 0.34 奈米，層與層之間以凡得瓦力互相吸引，結構中缺陷較多。
奈米碳管是目前人工能合成出的最細管子，它的強度是鋼的 100 倍，但重量僅有鋼的六分之一，其比強度（強度／密度）也較鋼高出兩個數量級，是質輕且機械強度高的物質。它也具有良好的導熱性質、低的密度（1.3～1.4 g/cm3）、好的彈性，受力後會彎曲，但外力除去後又可以恢復原來的形狀、高韌性，即使受到很大的力也不會斷裂、極其穩定。
在真空中，奈米碳管的抗熱分解溫度可高達 2,800℃，同時他也具備很好的抗蝕性與導電性。隨著奈米碳管的結構不同，它能具有金屬的導電性與半導體的特性，在極小電壓下可從尖端放出電子，具有絕佳的場發射效應（field emission, FE），因此可用於平面顯示器上。
而最令科學家們雀躍的是，因為奈米碳管具有十分優良的力學性能，這種「超級纖維」材料，極有可能做為通往月球電梯的纜繩，未來可能可以搭電梯上太空（圖三），不過現今還有很多技術上的問題還需要克服。
▲圖三：由於奈米碳管具有十分優良的力學性能，這種超級纖維材料，被認為極有可能做為通往月球電梯的纜繩，未來或許可以搭電梯上太空！圖片來源／Booyabazooka, CC BY-SA 3.0, Wikimedia Commons，圖片提供／《科學月刊》
薄又堅硬還能導電！夢幻奈米材料石墨烯
在石墨中，各個碳原子間以化學鍵連結形成六角形的層狀結構，這些原子層稱為石墨烯（graphene）。石墨烯一詞由德國科學家波姆（Hanns-Peter Boehm）創於 1962 年，是石墨（graphite）跟烯（-ene）字尾的結合，用以描述「單原子層的石墨」。
石墨烯長久以來被認為是一種假設性的結構，是只有一個碳原子厚度且無法單獨穩定存在的二維材料。直至 2004 年，英國曼徹斯特大學物理學家海姆（Andre Geim）和諾沃肖洛夫（Kostantin Novoselov）成功地從石墨中分離出石墨烯，而證實它可以單獨存在，兩人也因「在二維石墨烯材料的開創性實驗」為由，共同獲得 2010 年諾貝爾物理學獎。
石墨烯目前是世上最薄卻也最堅硬的奈米材料，它幾乎完全透明，只吸收 2.3％ 的光；導熱係數高達 5,300 W/m‧K，高於奈米碳管和金剛石；常溫下其電子遷移率 （electron mobility）超過 15,000 cm2/V‧s，又比奈米碳管或矽晶體高；電阻率只有約 10-6Ω‧cm，比銅或銀更低，為目前電阻率最小的材料。由於它的電阻率極低，電子的移動速度極快，因此被期待可用來發展出更薄、導電速度更快的新一代電子元件、電晶體、透明觸控螢幕、光板，甚至是太陽能電池。
潛力無窮，碳原子的新紀元
碳的同素異形體研究成果接下來會如何發展，仍是一個無法回答的問題。但毫無疑問的是，大多創新的研究通常高度依賴超純且易懂的新材料，從矽到聚合物和高度精煉的金屬等都是如此。
知名物理學家費曼（Richard Feynman），在 1959 年於美國加州理工學院（California Institute of Technology）舉行美國物理學會上發表的演說「寬廣的底層（There's Plenty of Room at the Bottom）」中，提到操縱與控制微小物體是有可能的，當物體被縮小後，在微小世界仍有許多的空間。他對奈米技術和材料可能性的看法，已被證明具有高度先見之明，或許未來比鋼鐵強 20 倍的奈米技術能夠成功，奈米碳管或石墨烯在新的製備技術下能變得可延展，相信太空電梯或許在未來也有可能會實現！
註：莫氏硬度由德國礦物學家摩斯（Friedrich Mohs）提出，利用礦物相互刻劃，較軟的礦物會被較硬的礦物劃傷的標準，將地球上常見的礦物區分出 1～10 的不同等級，是一種相對標準，並非絕對硬度。
延伸閱讀
Richard Hollingham, Space elevators: Going up?, BBC Future, 18 Nov 2014.
塗料科學裡的堅韌因子：下一篇⇢
本文轉載、修改自《科學月刊》2021 年 2 月
