第1章　碳，随处可寻的碳！

说起化学界最古老的双关语，“Don't trust atoms,they make up everything.”应该能排到第二位。这句双关语最有趣的地方在于，原子确实是构成宇宙中所有已知物质的基本粒子，同时它们也的确是善于伪装和欺骗的小家伙。

很明显，此时此刻你的手中握着一个物体，可能是一本实体书，也可能是一个电子书阅读器或者其他数码设备。两者的结构可能有所不同，实体书和数码设备看上去完全没有什么共同之处。然而，如果我们把构成物体的材料先放到一边不予考虑，那么我们会发现一个关键的共同点：任何物体都是由物质构成的。但物质的存在到底意味着什么呢？坦白说，这个问题有什么重要性呢？

无论你手中握的是什么物体，其原材料都是由原子构成的。原子拥有各种不同的名字，当然我所指的并不是菲尔、安、查理这类人名。具有一组特定属性的某类原子，也许会被称为氩（Argon），另一类则可能被称为钨（Tungsten），而第三类则可能被称为碳。

这些名字当中的含义究竟是什么？我们很快会讲到这一点。相同类型的原子统称为元素，各种元素的原子是化学家们用来制造胶水、塑料瓶、药品、食物，以及你能够想到的任何物质的工具。你也许对氧比较熟悉，毕竟我们都需要呼吸。水、玻璃、岩石和许多药物中都含有氧元素。你应该对铁也非常熟悉吧。在我们日常使用的厨具、工具，甚至你的血液中都含有铁（Iron）元素。氦（Helium）、铁、氧都属于元素。

德谟克利特的苹果与原子论

卡尔·萨根（Carl Sagan）在20世纪80年代主持拍摄了科普系列片《宇宙》（Cosmos）。第9集一开场便以黢黑的外太空为背景，空灵地悬挂着一只苹果。突然，一把尖刀将苹果一分为二，然后场景迅速切换到一个巴洛克风格的餐厅。在餐厅里，萨根（主持人）的桌子上摆着一盘苹果派。

《宇宙》中呈现的苹果形象，是对来自海滨城市阿布德拉（Abdera）的古希腊哲学家德谟克利特（Democritus）的一种致敬，他和自己的老师留基伯（Leucippus）在公元前450年前后共同提出了原子论学说。正如系列片中所讲述的那样，原子论最初的灵感便源于将苹果用刀一分为二的想象。接着，你还可以再将每一半一分为二，从而得到四分之一块苹果。德谟克利特和留基伯并未就此停手，而是继续往下切。那么问题来了，如果不停地切分一个苹果，你到底能切多少次呢？

两人想象自己拥有一把锋利无比的刀，并且思考了这样一个问题：如果将苹果不停地切分下去，最终苹果会不再是苹果吗？换言之，一种物质的性质起于何处，又终于何处？或者说，两者之间会有一个过渡吗？这一概念向同时代也在研究原子理论的另外两位哲学家，亚里士多德（Aristotle）和阿那克萨哥拉（Anaxagoras）提出了巨大的挑战。

亚里士多德和阿那克萨哥拉都认为，无论被切分多少次，苹果终究还是苹果，而金块也总归会是金块。也就是说，无论宇宙中多么微小的物质，只要用放大镜放大到足够高的倍数，你总能将两种物质区分开。根据这种假说，世间万物都有一种固有的特质。这就为宇宙赋予了一种永恒和秩序，亚里士多德将其归于神的伟力。在随后的许多个世纪里，这种观点都受到了原子论的死敌——宗教信奉者的追捧。

德谟克利特和留基伯对亚里士多德在论证中公然仰仗神力不以为然。他们认为，物体是由某种强韧并且不可再分的物质构成的，而这种物质存在于某种真空，或者说虚空（void）当中。真空的概念在当时可谓非同寻常，因为人类对大气层之外的事物没有任何概念。哲学家的认知局限导致他们相信天空的外缘是某种水晶天球。而“外太空”和真空则完全超出了人们的常识和认知能力。然而，如果德谟克利特和留基伯的理论是正确的，那么粒子就需要某种空间，有了这种空间，粒子才能运动。在这种运动中，粒子就像是在液体中流动一样，不断改变位置并替换其他粒子的位置。

进一步拓展这个比喻，我们可以想象一艘船，像切分苹果的尖刀一样划破水面。为了不断向前运行，船头势必会划破前方的水面，而水又会随尾流填充回船前行时船尾所留下的空间。尖刀同样是划破挡在前面的苹果，之后由空气将空隙填满。不过最终，这把无比锋利的尖刀会遇到再也难以切割的物体。这个难以分割的部分，这种难以再进行切分的物体，德谟克利特便将其称为原子（atom）。原子的英文“atom”源自希腊语“a”（表示“不可”）和“tomos”（表示“切分”）。这些原子可以作为构建模块，形成不同的物质，而无需某位造物主劳心去创造宇宙万物。我们现在便将这些无法分割的粒子称为原子。

德谟克利特和留基伯提出了一个并未引发广泛关注的观点：双粒子“构成万物”。对于德谟克利特和留基伯而言，世界上仅存在两种东西——原子以及原子所填充的虚空并几近无穷的空间。在很长的时间里，原子论的基本原理便是原子是不可再分的粒子。直到20世纪，亨利·贝克勒尔（Henri Becquerel）、玛丽·居里（Marie Curie）和皮埃尔·居里（Pierre Curie）才发现原子也是可分的，只不过这一过程已经远远超出了早期的自然哲学家和研究者的想象。不过从某种意义上讲，原子仍是元素的基本粒子，因为一旦原子被分解为更小的组成部分，其自身固有的元素特性便会随之消失。因此，就这个特定的角度来看，原子确实是不可再分的。

在古希腊发展的同时，印度哲学家也在对宇宙的基本性质进行着全新的思考并撰写了相关著作。在东方文化中，婆浮陀·伽旃那（Pakhuda Kaccayana）和迦那陀（Kanada）是印度的两位原子论早期支持者。他们同样遭受到同时代人的批评。反对原子论的人认为，物质世界的恒常性是对圣灵创造万物的一种证明，推翻这一点就意味着挑战神灵的存在，也就动摇了宗教的种种根基，这其中尤为重要的一点便是永恒救赎的信仰将不复存在。多数古代原子论的反对者认为，如果原子是永恒不灭、不可再分的，那么灵魂便无法进入天国。这一点显然很难被早期的基督教和其他有神论者所接受（同时也会对数学领域“无穷小”的概念提出巨大的挑战）。

直至约公元700-1200年，人们对原子的认识取得新的进展，原子论才真正开始深入人心。两位学者—阿维森纳（Avicenna）和阿威罗伊（Averroes）将印度和希腊哲学兼容并蓄，形成了一套统一的理论体系，并在全欧洲和东南亚进行普及。阿维森纳的作品极大地影响了两位早期的物理学家—方济各会修士罗杰尔·培根（Roger Bacon，又称奇迹博士）和圣阿尔伯特·马格纳斯（Saint Albertus Magnus）。从这一点，我们也可以看出这两位学者所做出的贡献非常重大。

尽管不可再分的粒子的基本概念越来越为人们所接受，但关于原子及其性质，在很长的时间里研究者仍然缺乏真正的实验证据。这一局面直至罗伯特·波义耳（Robert Boyle）于1661年出版著作《怀疑派的化学家》（The Skeptical Chymist）才得以扭转。在这本著作中，波义耳反驳了亚里士多德的古代元素学说，这种学说认为万物由火、水、气、土和以太组成。

与亚里士多德不同，波义耳提出的理论更接近于我们今天的化学元素理论。在数学和物理学领域做出开创性贡献的艾萨克·牛顿（Isaac Newton）也对波义耳的研究成果表示认同。然而，他们却在一个重大问题上存在分歧。波义耳对炼金术基本持否定态度，而牛顿却对炼金术充满热忱。波义耳、牛顿、笛卡尔（Descartes）、皮埃尔·伽桑狄（Pierre Gassendi）和罗杰·约瑟夫·博斯科维奇（Roger Joseph Boscovich）的研究共同为118种现代化学元素的发现打下了坚实的基础。

18世纪和19世纪是一个史无前例的大发现时代，各种各样的新元素不断被发现并从天然矿物与矿石中提炼出来，速度可谓空前绝后。1871年，俄罗斯科学家德米特里·门捷列夫（Dmitri Mendeleev）绘出了最早的元素周期表的雏形，周期律随后开始普及。

最终，欧内斯特·卢瑟福（Ernest Rutherford）在1908-1910年间通过一系列实验得出结论，原子并非极微小的实心球体。卢瑟福发明了一种装置，通过这种装置，可以使用α粒子（也就是氦原子的原子核）轰击一层金箔。在这项实验中，绝大多数α粒子都会穿过金箔，但其中有一小部分粒子的轨迹会发生偏离。令人惊讶的是，一些粒子会向完全不同的方向弹射出去，少数粒子甚至会向发射的方向彻底反弹回去。

起初，这一结果令卢瑟福和他的同事们大惑不解。这是人类历史上第一次通过实验证明，原子的体积有很大一部分实际上是空的，但却拥有一个很小但密度很大的核。自此，原子的结构终于开始受到广泛关注。让我们回想一下德谟克利特的观点的哲学含义。他认为宇宙间仅存在两种东西：原子和虚空。卢瑟福的研究得出的重要结论也表明，原子的绝大部分都是空的。

自然界的任何分子，人类都能合成

从古希腊到现代的2 500年间，我们对原子的理解越来越深，并最终确定了原子是由三部分构成的。在原子核中是质子和中子，两者几乎贡献了原子的全部重量。质子的数量决定着原子的性质，而在同一种元素的原子中，中子的数量则可能不同。因此只有改变原子核中的质子数才有可能改变元素的类型。

拥有7个质子和7个中子的原子是氮原子，被称为氮—14（14是质子和中子的总和）。拥有7个质子和8个中子的原子仍然是氮原子，只不过被称为氮—15，并且质量比氮—14更重。在原子核外，是高速运动的电子形成的电子云。这种弥散的电子云表现出一类被称为壳层或轨道的特征分布模式。虽然电子的质量几乎可以忽略不计，但电子云决定了原子的体积。原子99%的质量都来自原子核，但原子核与原子的体积比仅相当于一粒豌豆与一个足球场的体积比，原子的其他区域均被电子云占据。如图1-1所示。

让我们想象这样一种情况：一勺黄油的重量约为6克，你可以轻松将勺子握在手中。然而，如果用一个勺子舀起一整勺原子核（剥离掉电子，仅留质子和中子），那么勺中物质的重量将接近一座大山的重量。事实上，无论是你、我，还是你正在读的这本书，都不过是附加了一点点固态物质的一团虚空。这样看来，德谟克利特的想法最终得到了证明。

再来说说分子。一本书中含有各种不同类型的分子：各种长链的糖类分子形成了书页中的固态淀粉浆、胶水中的黏合剂，以及用来标记书页的各色墨水染料。数码设备则要复杂得多。这些设备既有由金属和陶瓷构成的电路，又有由玻璃和特殊染料制成的屏幕，还有用塑料和金属打造的保护壳。医药、科技、生物和材料科学的基础都是化学，而化学背后看似无穷无尽的可能性都是分子带来的。

大家有没有想过，我们称为金属或糖的东西归根到底是什么？它们之间有怎样的区别，在本质上又有何种共性？这乍一看，无论是问题，还是答案，貌似都很荒谬。金属工具是用金属制造的，而糖是用来调咖啡的，对吧？难道这背后还能有什么更复杂的东西吗？是的，的确有。在金属中，金属离子以规整的方式排列，这使它们在受热或被施压时能够相互滑动。这正是铁匠能够将铁锻造成宝剑，大型机械能将铝块打造成铝箔（供你打包剩菜剩饭）的原因所在。

金属中的电子也能在金属离子间近乎自由地运动，这也正是金属能导电的原因。而在玻璃中，电子在硅原子和氧原子间发挥着“黏合剂”的作用。这使两种原子的连接更为紧密，因此玻璃不仅延展性不如金属，而且脆弱易碎。如果你曾经摔落过金属杯（通常会落地弹起或因受力过大而出现凹痕）或玻璃杯（自然会摔得粉碎），就会对这两种材料在性质上的差异深有体会。

导致这种差异的原因是玻璃中的硅原子和氧原子共同使用的电子不能自由地运动。相反，这些电子是被“禁锢”在两种原子之间的。这种电子的局域化（localization）导致玻璃不具备导电性。与局域化相反，我们将使金属和其他导体（如石墨烯）具备导电性能的现象称为电子的离域性（delocalization）。

原子的特定排列方式决定了分子的性质。我们可以想一想形状各不相同的房屋。尽管用来建造房屋的材料通常就那几样，但修建房屋的方式却多种多样，因此不同房屋之间看起来才会千差万别。你的房屋之所以具有自己的鲜明个性，正是因为对建筑材料的个性化利用。从房屋的外形就能区分出哪一座是你的，哪一座是我的。同样的，碳、氢、氧或其他元素的原子按照不同方式排列，就能形成葡萄糖、阿司匹林或丙酮。

当然，这套理论的普及时间并不长。自中世纪以来，皇室的哲学家们开始不断拓展自己的研究领域。效忠于宫廷的天文学家和数学家们不再局限于绘制恒星的运动轨迹，归类登记各种农作物产量的目的也不再是为了税收。一些早期的研究者开始涉猎炼金术的原始科学（protoscience）。

尽管早在公元前3000年甚至更早的时期，冶炼矿石和制陶的化学原理就已经为人所知，但直到研究者们开始以可重复的方式进行实验，并与其他研究者分享实验的结果，人们才得以掌握这些化学反应过程中更为复杂和深入的知识。

进行这些实验的主要目的通常都是炼金。人们渴望将铅或水银（所谓的“贱金属”）转化为金或银等造币金属。这一过程被称为嬗变（transmutation）。在本章中我们曾介绍过，元素的性质是由原子核中的质子决定的，而在化学反应中质子不会发生改变。尽管如此，在天主教会的帮助下，炼金术从13世纪到17世纪中叶逐渐演变为了一种常规性的工作。因而在这一时期，出现了许多依靠专业技能或手艺为生的职业，例如专业的铁匠、药剂师和其他与化学相关的工作。在这种大环境下，有一类人如鱼得水，这类人便是那些道貌岸然的行骗高手。

炼金术痴迷于寻找可以导致化学嬗变的方法，这就为一些不择手段的人提供了一种新的行骗套路，可以向戒心不足的市民兜售“神奇的灵丹妙药”和快速致富法：

最令人惊讶的事情莫过于人们对这些骗子的谎言竟如此轻信。以如此荒谬的套路获取报酬足以证明，这些骗子对于自己假模假样要传授的致富法门一无所知。试问一个人如果掌握了随心所欲制造金子的方法，他为什么还要去别人那里获取报酬呢？对于这样一个人，钱应当不成问题才对，因为他完全可以想要多少就有多少。

通过向潜在的客户演示炼金术，早期的炼金术士们发展出了花样百出，以快速致富法为幌子的骗术。在演示过程中，“实验者”会通过各种骗人的把戏（例如在加热的坩埚底部做手脚）“炼出”黄金。为了学到这些神奇的炼金术，看客们会向炼金术士支付高额的报酬。只有当返回家中，试着自己炼金时，这些客户才会对上当的事实恍然大悟。只有到这时，不幸的客户们才确定自己被假象愚弄了。

另一种将贱金属转化为金子的骗术是使用魔术钉（trick nail）。这些钉子由铁制成，但上面焊有一层金或银。金或者银上又涂了一层墨水或其他起掩盖作用的物质。当钉子被浸入特殊的化学溶液时，掩盖物就会溶解。藏在下层的金子便会随之“生成”，赢得看客们一片惊呼和赞叹。

好在罗伯特·波义耳最终将炼金术从一项追逐利润的骗术转化为一门研究科学。在其著作《怀疑派的化学家》中，波义耳审慎地将元素定义为纯物质或物质中无法再进一步分解的部分。在精确的实验和仔细的观察后，波义耳发现，更复杂的物质（岩石、植物、气体等）能够通过化学反应发生分解。更为重要的是，这些反应和分解过程是可预测和重复的，而不是受神灵的意志或者其他神秘魔法的支配。

在化学的早期发展阶段，炼金是最常见的炼金骗术，而当1669年磷（phosphorus）被发现之后，又爆发了新一轮表演性质的伪科学实验。直到19世纪末，贝克勒尔和居里夫妇从原子核衰变过程发现了原子的放射性，才证明了元素的嬗变理论。

核聚变是另一种原子核嬗变的方法，直到20世纪才伴随着热核武器的发展逐步成熟起来。如今，原子序数95以上的所有元素均源自人工核聚变（恒星内的情况除外）。

可以说，化学作为一门科学的全部基础都依赖于一个概念，那就是纯物质之间通过相互反应，可以形成更为复杂的结构。分子是由元素构成的，而不同的分子又形成了剪刀、芝士蛋糕或者可爱的小猫咪。

证明这一理论的重任主要落在了约翰·道尔顿（John Dalton）的肩上。1803年，道尔顿通过实验证明，纯物质的原子可以彼此结合，形成他所谓的“化合原子”（compound atom）。道尔顿对多种化合物进行了研究，包括水、二氧化碳、一氧化氮和硫酸。道尔顿一边进行实验，一边根据实验结果对自己的假说进行修正，并提炼出了一项重要的结论：每种化合物中的元素都成特定的比例，最终便有了今天我们熟悉的分子式：H₂O、CO₂、NO、H₂SO₄。

通过不同元素的占比，这些分子式可以告知我们不同物质的化学组成。以水为例，分子式为H₂O，这表示1个水分子中含有1个氧原子和2个氢原子。在二氧化碳中，每1个碳原子对应2个氧原子，以此类推。

在有记录的历史中，人们在很长的时间里都认为生物体的化学和非生物的化学大不相同。岩石和矿物显然与生物不同。生物体中包含脂肪、蛋白质、糖和油，这些都是碳基分子。因此，对生物体（含碳）的化学研究被称为有机化学，而对非生物体分子的化学研究体系自然就被称为无机化学。

长久以来，人们始终认为这两个化学分支是彼此完全独立的，并且认为有机分子蕴含着强大的生命力，与无机分子全然不同。基于这种理论，人们理所当然地认为源于自然，或者说源于生物体的化学物质与无机分子是完全不相容的。

食物链中无形的关联进一步强化了这种观点：一种生物通过食用其他生物就能获取营养，也正因为如此，无机的土壤才会安然无恙，不被消耗。毕竟，我们很难想象会有生物选择以吃石头为生。

生物必有灵性的假说被称为活力论（vitalism）或者活力学说（vitalist doctrine），这一理论于1823年被彻底颠覆。23岁的德国医学博士弗里德里希·维勒（Friedrich Wöhler）当时在进行氰酸铵（NH₄OCN）溶液蒸发实验，他原本预期在溶液中的水蒸发后将会得到氰酸铵。但结果却令他大为意外：无机盐氰酸铵被转化为了另一种分子——尿素。我们都知道尿素是尿液中的主要成分之一。

事实上，维勒还是第一个使用与尿液相关的双关语的人（而且竟然是在给自己的博士后导师的信中使用的）。在信中，维勒这样写道：

不得不承认，我兴奋得都快忍不住了。我必须要告诉您，我可以在无需利用其他动物肾脏（无论是人的还是狗的）的情况下制造出尿素。

这一令人兴奋的发现后来拓展出了更为普适的结论：人类可以合成出来自然中的任何分子。这也就意味着，不管分子中的原子来自何处，特定元素的所有原子都具有完全相同的性质。无论是远古贝类中碳酸盐里含的碳，油田中的原油里含的碳，还是我们在卫生间里排泄出的碳都是相同的。

碳原子的魔术：将苯变成石墨烯

当我们探究化学物质及其性质时，化学键才是关键。当然，化学物质所含的元素也发挥着重要作用。但我们务必要记得，电子的分布决定了化学反应和化学键。例如，煤、石墨和金刚石之间有哪些区别？如果你面前的桌子上放了这三种物质的样品，你应该马上就能列举出许多差异。

煤呈乌黑色，很轻，并且脆弱易碎；金刚石的特点就更是人尽皆知了，经过打磨的金刚石晶莹剔透且质地无比坚硬；石墨则呈块状，是一种有淡淡光泽的灰色材料，看起来与金属近似。然而如果将煤和石墨碾成粉，我们就很难凭借肉眼区分出煤粉和石墨粉了。

与石墨比较接近的分子是富勒烯（fullerenes）族的分子。不同种类的富勒烯分子在外观上不尽相同，但这些分子的颗粒都很小，粉末细而轻，摸起来非常柔软。

煤、石墨和金刚石的性质迥异，如果事先不了解它们的成分，很难想象它们存在任何共性。然而，在外观上的差异背后却隐藏着同一种元素：碳。碳原子的原子核中含有6个质子和6 ~ 8个中子。碳原子间可以通过不同的方式结合，从而形成脆弱的煤、柔软的石墨以及璀璨的金刚石。我们不清楚人类发现碳的确切时间，但远古的人类用它（以树枝或其他死去的有机材料的形式）作为生火的原料这一点，充分表明人类在学习控制和利用火的年代便已对这种物质有一定的认知了。

此后，人类利用煤的反应特性来冶炼从地下挖掘出的金属矿石，用于制造闪亮的金属首饰和武器。这些由相同元素形成，差异只表现在原子间的结合方式上的物质被称为同素异形体（allotrope）。金刚石中的碳原子是以立方体的结构排列的，而石墨和石墨烯中的碳原子是一层一层排列的，富勒烯中的碳原子则相互作用形成球形。正是同素异形现象决定了我们日常所见的这些物质的特性：碳原子以立方体结构排列使金刚石坚硬无比，石墨的片状结构则令其具备了润滑和柔韧的特性（在我们仅考虑单层结构的前提下）。

当我们将碳与元素周期表上的其他元素比较时，可能会觉得碳是一种很无趣的元素：与周期表底部的元素不同，碳元素非常稳定并且不具有放射性；对于烟花爱好者而言，碳就显得更乏味了，这些爱好者显然更喜欢周期表左侧的碱金属（alkali metal）和碱土金属（alkaline earth metal），因为这些金属可以产生绚烂的色彩；你也别指望碳能像铁那样，可以用于制造各种武器或设备；碳元素同样也算不上特别有美感（金刚石除外），因而远不及金（Gold）、银（Silver）、铜（Copper）等铸币金属那样令人觊觎。

碳元素位于元素周期表的右侧，属于化学家所谓的p区（p-block）元素。这是一种重量轻、朴实低调的元素，既不会像液态汞（Mercury）那样博人眼球，也不会像铀（Uranium）或者钚（Plutonium）那样引人恐惧。即使是紫色的碘（Iodine）也显得更惊艳，远胜于孩子们都不希望在圣诞袜中收到的黑炭球。

然而，在平凡的外表下，碳却独具特色。碳原子能形成非常强的化学键，足以在地球上的温度范围内与绝大多数分子结合。与此同时，这些化学键又不会过强，因此化学反应不会只是单向的。在阳光的帮助下，植物扮演着碳循环的“监管人”的角色，保证维持生命的化学物质得到循环利用和补充。在细胞内，蛋白质会被循环利用，以完成种种化学反应。而构成这些蛋白质的化学物质（小分子）则必须通过食物（最终是植物）进行补充。

然而元素周期表上排第六位的碳，却是构成生命以及根据我们的理解所有“活着”的东西的基础。碳原子有4个外层电子，通过共享这些电子，碳原子最多可以与其他原子形成4个化学键。碳元素将以石墨烯的形式，开创一个全新的时代，代替硅成为技术界的主导元素。

碳拥有形成4个化学键的能力，对于这一能力的重要性，人们起初有些认识不足。为什么单单是4个，而不是3个、5个或者12个？为什么4个化学键具有格外重要的意义？为了理解这一点，我们需要重点关注围绕在原子外层的电子。还记得吗，碳的原子序数为6，因此原子核中拥有6个带正电荷的质子。为了平衡这6个正电荷，我们需要电子提供6个负电荷。因此，碳一共拥有6个电子。

“不过等一下，”你可能会问，“你刚才不是告诉我碳可以形成4个化学键吗？不是6个啊。”这是个好问题。与外层的4个电子相比，这6个电子中还有2个电子距离原子核较近，因而无法与其他原子形成化学键。这是因为电子排列在不同大小和形状的壳层或轨道上。由于内层的轨道可以容纳2个电子，因此只有剩余的4个电子可与另外4个电子形成化学键。这一特性成为19世纪50年代早期的一个热门话题。

从伦敦到德国的达姆斯塔特（Darmstadt），当时最杰出的化学家们纷纷投入到这场激烈的辩论当中。他们的书信不断往来于英吉利海峡，探讨原子是如何以及为什么相互结合并形成分子的。化学家们知道原子以特定的比例形成分子，但分子的形状，以及原子彼此结合的方式却始终令他们困惑不解。

1854年，奥古斯特·凯库勒（August Kekulé）在与朋友共进晚餐后乘马车回家，并在路上打起了瞌睡。事后他回忆道：

在一个晴朗的夏日夜晚，我和往常一样乘坐最后一班公共马车回家。我坐在车厢外的顶层座位上。马车穿过这座大都市一条条空旷的街道，白天这里总是人声鼎沸。我陷入了一种半梦半醒的状态，突然我仿佛看到原子在我眼前欢腾跳跃。我以前经常想象这些小家伙们在不停运动，但从来没能找出它们运动的规律。

今天，我看到了2个小家伙如何习惯性地“手拉手”，成双结对，大一点的家伙如何抓住2个小家伙，更大的家伙又是如何捉住3个，甚至4个小家伙不放手，以及它们如何围成一圈，翩翩起舞……售票员的一声“克拉普汉姆路（Clapham Road）到啦”把我从梦中惊醒了，但我花了半宿的时间，在纸上将梦中的场景草草画了出来。苯的结构理论就始于此。

如果你上过高中或大学的化学课，那么你多半听说过八隅体规则（octet rule）。根据这一规则，原子将通过与其他原子共享电子的方式，用8个电子将其最外侧的轨道填满。氖（Neon）或氩等惰性气体的外层轨道上已经有8个电子，因此它们不会与其他原子进行反应，形成分子。氯（Chlorine）等卤素原子都倾向于形成1个化学键，因为其外层轨道上有7个电子；氧原子则倾向于形成2个化学键，因为其外层轨道上有6个电子。原子形成的化学键的数量将直接决定分子的形状，而分子的形状是决定电子在分子结构中运动能力的重要因素。我们在本书的上文中介绍过，电子的运动是导电性的关键所在。

由于碳原子的外层轨道上有4个电子，而外层轨道最多可以容纳8个电子，因此1个碳原子最多可与4个不同的原子形成化学键。不过，这些键并不需要在4个原子间均匀分布。当一个碳原子与另一个原子形成一个化学键时，两者共享的电子会分布在两个原子之间的空间中。从某种意义上说，这些电子被固定住了，处于静止不动的状态，因此被称为局域化电子（localized electron）。然而，当一个碳原子与另一个原子形成多个化学键时，非同寻常的事情就发生了。碳与相邻原子间的第二个化学键意味着双键中的电子不再被固定在原子之间，而是在更大的空间中运动。这意味着这些电子的轨道更分散了，因此这类电子被称为离域电子（delocalized electron）。

还记得我们上文曾讲过离域电子的运动会产生电流吗？如果碳—碳双键将碳原子连成串，那么电子就可以沿着碳链来回运动，就像它们在电线中流动一样。事实上，这正是当今若干研究领域的出发点。科学家希望利用碳原子结构中的离域化特性创造出不同分子，用于制造电线和其他计算机部件。这一研究领域刚刚开始兴起，被称为分子电子学（molecular electronics）。我们将在下一章里详细论述分子电子学的相关内容。

有一种由碳和氢组成的分子内含有这种重键（multiple bonds）。这种分子对理解电子的离域化性质如何影响有机分子非常重要。这种分子是汽油中的一种成分，因此你可能比较熟悉：苯（benzene）。

在其他化学家努力推断分子的结构时，凯库勒决定打个盹儿：

我坐在那里做一些与课本相关的工作，但感觉没什么效率——我的思绪全在其他事情上。于是我把椅子转向炉火并打起盹儿来……一个个原子在我面前舞动。这时，较小的基团低调地躲在后面。我脑海中仿佛有一双眼睛，早已被眼前不断重复的类似场景训练得格外敏锐，能够立刻从许多不同的排列中辨别出较大的结构……看！那是什么？一条咬住自己尾巴的蛇！它在我眼前不停地转圈。接着，仿佛有一道闪电划过，我立刻被惊醒了。

睡眼惺忪的凯库勒意识到，这条蛇代表着苯分子中碳原子形成的六边形环。蛇咬尾巴的场景也并非偶然，因为衔尾蛇是自炼金术时代起便流传不衰的象征符号之一：一条盘成环状，正在吞食自己尾巴的蛇，象征着创造与毁灭的轮回。最终，凯库勒发表了苯环的结构，提出碳原子与周围的原子共形成了4个键，其中与一侧的相邻碳原子形成1个双键，与另一侧的相邻碳原子则形成1个单键，还会与1个氢原子形成1个单键。在这种结构中，单键与双键按照1-2-1-2-1-2的顺序交错排列。凯库勒于1896年去世，未能亲眼见证自己的预言被实验证实。

1928年，E.戈登·考克斯（E. Gordon Cox）发表了关于苯的晶体结构的研究，最终证实了凯库勒的理论。考克斯的研究发现，在苯分子中，每一个碳—碳键的键长完全相同，呈完美的对称形态。几年后，伦敦科学家凯瑟琳·朗斯代尔（Kathleen Lonsdale）对一种含有6个甲基（连有3个氢原子的碳原子）的苯环化合物的晶体结构进行了研究。研究得出了相同的结果：这种分子也是呈完美对称形态的二维（平面的）分子。

现在想象一下，沿第一个环的边缘添加6个相同的碳环，取代此前在苯中占据该位置的6个氢原子。然后在边缘上继续添加相同的环。如此持续添加下去。最终，你将填充出一个由彼此相连的六边形组成的蜂窝状结构。在这个结构中，每个碳原子均完全相同。将这些重复单元扩展至成百上千个，苯就转变成了石墨烯。如图1-2所示。

上图中，灰色的圆球是碳原子。通过侧视图可以看出，所有碳原子均分布在同一个平面上。为了便于观察，图中没有标出氢原子。无论是苯还是带有6个甲基的六甲苯，碳原子都位于一个平面上。在苯环的边缘各添加一个苯环拓展得到的分子通常称为蒄（coronene），其结构同样是扁平的。蒄是一类叫作多环芳烃（polycyclic aromatic hydrocarbons，PAHs）的化合物中的一种。

从名字就能看出，多环芳烃是由许多含有碳原子和氢原子的环连接而成的分子，这些环与苯环（芳香环中的一种）具有类似的化学性质。将这种结构拓展到一定的程度，所有的碳原子将彼此交错，形成一张分子“铁丝网”，得到的单层石墨也会同样完全呈扁平状。通过不断添加苯环，多环芳烃将最终“转化为”石墨烯。不过化学家们至今尚不清楚，哪里是多环芳烃与石墨烯性质差异的分界点。据目前的估计，多环芳烃在转化为石墨烯之前至少需要数百个重复的六碳环单元。不过要想真正表现出石墨烯的化学性质，很可能需要添加数千个六碳环。

1924年，两组研究人员分别发布独立的研究成果，称石墨的晶体结构是由碳原子形成的六边形网络，而且这种网络中的碳原子位于同一个平面上。通过对微小的石墨晶体进行分析，这些科学家发现石墨是由这种平面的碳原子层逐层堆叠形成的，这一点很像云母。如果你在徒步旅行中见到过天然云母，就会知道我们很容易从云母上剥下一层。单层云母片非常薄，几乎完全透明。这种云母片能够弯曲而且非常轻，轻到让你难于感觉到的地步。云母片的这些特点和石墨烯非常类似：如果我们能够从石墨上剥离下一片单层的石墨，这片石墨也将近乎透明、异常柔韧而且重量极轻。

空心“球”富勒烯：藏在眼皮底下的化学物质

我们在前文介绍过，石墨、煤和金刚石都由碳元素构成。但既然一种元素的所有原子都是相同的，为什么这三种物质的性质又会有如此大的差别呢？这就要回到我们介绍过的共价键以及原子间共享电子的理论上了。某些元素的原子可以通过不同的方式结合，形成不同形式的物质，这会使这些不同形式的物质拥有各不相同的性质。这些由同一种元素构成，但结构不同的物质被称为同素异形体。由于结构上的差异，同素异形体间在性质上可能存在天壤之别。

以硫（Sulfur）为例，这种元素就有多种有趣的同素异形体：既可以是拥有2个硫原子的无色气体（S₂），也可以是3个硫原子结合在一起形成的桃红色气体（S₃）。硫也有多种固态的同素异形体，这其中亮黄色的S₈既可以采自大块的火山晶体，也可以采自炭或者其他制造火药的原料中的黄色粉末。在高温和高压下，硫可以形成能像金属一样导电的固态形式。磷、碳、氧和许多其他元素的原子有各不相同的结合方式，这赋予了它们不同的性质。我们对无色透明的氧气都很熟悉，因为我们必须呼吸氧气才能生存。但如果你用近百万的大气压压缩氧气，那么氧气将会转变为深红色的固体。

在极端的环境下，元素会改变自身的形态以及原子间的键合方式，这一理念现在已广为人知，矿工对此的认识尤为深刻。在史前的树木和沼泽中的植物死去并深埋于地下后，这些含碳物质所承受的压力和温度会不断提升。久而久之，碳原子会被越来越紧密地挤压到一起，其他元素则会与周遭的物质发生反应，并被排挤出去。水、硫化氢（hydrogen sulfide）和其他较轻的分子都会被排挤出去，而所有的碳则被聚集在了一起。随着时间的流逝，这类反应会不断发生，因此碳原子会被挤压得越来越紧实。最终，所有杂质都会被清除掉，仅留下一层煤，或者说无定形碳（amorphous carbon）。

不过如果这层煤继续被深埋于地下，在更高的温度下被进一步挤压，那么碳原子将会发生重排。碳原子间会形成共价键，而且形成共价键的碳原子会位于同一个平面上。不同的平面则会层层相叠。

无烟煤（anthracite coal）是煤化程度最高的煤，在高温高压下会发生质变，转化为石墨，原子的排布将会就此从无序转变为有序。最终，石墨从地下被开采出来，用于制作铅笔或加入到轴承中作为润滑剂。此外，石墨还可以与高科技应用相结合，我们将在后面的章节中再做介绍。无定形无烟煤与石墨和金刚石一样，同属碳的同素异形体。关于碳的同素异形体，我们此前还介绍过其他种类。

木炭也是其中广为人知的一种。大体来说，木炭闻起来有股烧焦的味道，带着火焰熄灭后苦涩的浓香。如果用手指沿着木头烧焦的纹理划过，会感觉很平滑。而如果将手指逆着纹理划过，则会感到木炭粗糙磨手，而且手指上会留下黑色的碎渣。我们可以轻而易举地将木炭压成细粉。如果在这种细粉中混入硫和硝酸钾（potassium nitrate），我们便制成了火药。木炭是已知最古老的碳单质之一，尽管当时的人们并不知道这一点。当人类发现火时就对木炭有了了解，而在冶炼技术出现后，木炭更是成为人类的一种重要资源。

与木炭相比，金刚石扮演着截然不同的社会角色。金刚石的触感和味道没有什么与众不同之处，但它无与伦比的透光率和折射能力却令消费者为之着迷。由于硬度极大，金刚石还扮演着重要工业材料的角色，被广泛应用于锯片、砂纸和其他高应力设备中。

1814年进行的一项实验可能会令某些宝石学家大呼暴殄天物。汉弗莱·戴维爵士在这一年去了意大利的佛罗伦萨（Florence），在那里获得了一颗高品质的金刚石样本。他把这枚金刚石放到了一个装有纯氧的钟形玻璃罩里，然后像小孩子们玩弄放大镜一样，利用透镜聚焦太阳光，点燃了这枚金刚石。在伦敦皇家学会出版的科学刊物《自然科学会报》（Philosophical Transactions of the Royal Society of London）上，戴维爵士记录道“升起的火光十分稳定，呈现耀眼的红色，即使在最明亮的日光下也清晰可见”。

当金刚石燃烧完之后，没有留下任何残留物。没有灰烬，没有奇怪的金属氧化物粉末，什么都没有。戴维同时还指出，燃烧最终产生的气体是纯的二氧化碳。戴维随后在相同的装置中燃烧了一块木炭，实验结果与金刚石的燃烧实验完全相同。他最终得出结论：金刚石和木炭的成分一定是相同的，它们一定是由相同的物质构成的。

碳的另一种晶体形式是石墨。我们在本书一开始时介绍过，石墨是由多层石墨烯堆叠到一起产生的。如果你将一块石墨握在手中，会感觉很平滑，甚至润滑到感觉油腻的程度。如果手在石墨上多抹几次，你会发现手指上会出现一层淡淡的灰色。如果将石墨块划过一张纸，你会发现石墨并不会像煤那样碎掉。相反，它将沿一条灰色的线脱落掉薄薄的一层，你会以为这是铅笔画出的痕迹。直到本世纪，人们才开始了解单层石墨的剥离技术，本书的后续章节将深入探讨这一话题。

巴克敏斯特富勒烯（buckminsterfullerenes）是碳的同素异形体中的最新成员，通常简称富勒烯，也就是俗称的巴克球（buckyballs）。“球”的称谓来自这类分子的形状—富勒烯都是由碳原子构成的空心球体。最早发现的巴克敏斯特富勒烯是C₆₀，它也是富勒烯家族中最知名的一种。当然还存在许多规格不同的富勒烯笼型结构。它们都是最近发现的碳的同素异形体，最初是在真空室中用激光汽化蒸发石墨块生成的。科学家们后来发现了利用电弧制备富勒烯的方法，我们将在后面的章节中进一步介绍。

有趣的是，从蜡烛、火炬和油灯产生的黑色煤烟物质中都可以分离出富勒烯。当你下一次点蜡烛的时候，可以尝试将一个玻璃杯或一个盘子置于火焰上方。有没有看到一些聚积物？你刚刚亲手制出了富勒烯哦！这种聚积物被称为灯黑，自古以来便被用于制造墨水、化妆品和染料。

事实上，灯黑之所以是黑色的，是因为其中大小不同的碳簇（carbon clusters）以及其他副产物吸收了所有的可见光。灯黑中的每一个粒子都能吸收一种特定颜色（对应于不同的波长）的光。如果你把不同的富勒烯分别溶解到装有苯的不同器皿中，那么你将得到色彩如彩虹般绚丽的溶液，这是因为不同的富勒烯会吸收不同波长的光，从而使溶液呈现出各不相同的颜色。

不同大小的富勒烯分子之所以会吸收不同颜色的光，是因为这些分子的电子轨道有所不同，只会与特定波长的光发生高效的共振作用。不同富勒烯分子的这种差异将直接决定我们的眼睛看到的是紫色、橙色还是黄色。巴比伦人、埃及人及其他文化族群都曾利用过这种高科技材料，将其用作“眼影”和“睫毛膏”。你可以想象一下，如果把这些元素使用于复古未来主义小说（retrofuturistic fiction）中，会产生何种效果。作为灯黑的一部分，富勒烯就藏在人们的眼皮底下，但和许多伟大发现一样，富勒烯的发现也纯属偶然。

碳纳米管（carbon nanotubes）与巴克敏斯特富勒烯类似，是由石墨烯薄片卷成管状形成的，就像用硬纸板裹成的纸筒一样。碳纳米管的两端通常都冠有半球形的结构，可以说每一端带有半个巴克球。由于碳纳米管的长度通常要比其宽度长得多，甚至有可能比宽度长出一百万倍，因此碳纳米管有时被认为是单维材料。它们的这种丝状和线状特性使其很适合用于制造具有导电性的新型材料和复合材料。

剥下单一的碳原子层

我们怎么才能知道分子的这些不同形式间确实存在差异呢？是否能有一种设备，可以告诉我们这些分子究竟是什么样子的？我们能不能找到一种神奇的方法，可以像生物学家给小动物拍照片那样为分子拍摄出照片，供研究使用呢？绝对能。而且毫无疑问，这是一种科学的方法，而不是什么神奇的魔法。

科学家惯用的一种测量分子或原子晶体的方法被称为X射线晶体衍射（crystal x-ray diffraction）。在测量过程中，晶体的电子云能使高能的X射线发生散射。这种散射是可预测和可重复的，从数学上看，每种晶体类型的测量指标都是独一无二的。各个原子散射的X射线会发生干涉，从而产生特别的干涉模式。通过分析这种干涉模式，晶体学家就能非常精准地确定原子在分子中的位置，从而确定分子的形状。

20世纪初期，X射线晶体学成了一个崭新且令人兴奋的研究领域。最先推动该领域背后数学理论发展的是马克斯·冯·劳厄（Max von Laue）。由于X射线晶体学极具开拓性，大量物理学家、化学家和地质学家开始争相使用这种前所未有的方法研究矿物或有机物的晶体样本。冯·劳厄也毫无悬念地凭借晶体衍射领域的发现获得了1914年的诺贝尔物理学奖。紧接着，1915年的诺贝尔物理学奖被授予了一对父子——威廉·亨利·布拉格（W. H. Bragg）和威廉·劳伦斯·布拉格（W. L. Bragg）。

布拉格父子发现，有机物分子晶体产生的X射线衍射模式是这种分子独具的特性。也就是说，利用X射线晶体衍射分析，可以“看到”他们感兴趣的分子。

要进入这一研究领域并非易事。研究者必须具备高深的数学功底，才能解读出照相底板上的亮点和暗点背后隐藏的含义，否则一切将毫无意义。

在自动计算技术出现前，人们分析X射线晶体衍射数据时需要在计算上耗费数月的时间，每年只能得出几个新的分析结果。这是一个漫长而艰辛的过程，如果记录的数据不够准确，你就有可能会浪费数月时间，最终发现走入了死胡同，只好再重新获取更加准确的数据。早期关于晶体分析的文献中充满了研究人员相互指责的例子，因为个人极微小的错误分析，往往便会导致对晶体结构整体理解的偏差。

自从20世纪60年代计算机技术被引入X射线晶体学领域以来，晶体结构不仅更易于破解了，而且破解频率也快了很多。现在，有关晶体衍射的数据收集工作甚至可以在一夜之间完成，数据分析也只需要几天的时间。新技术带来了惊人的研究进展，在制药领域尤其如此。利用晶体衍射对蛋白质的结构进行分析，科学家可以找到治疗某种疾病的高效药物的成分以及分子的形状。

威廉·亨利·布拉格的学生凯瑟琳·亚德莉·朗斯代尔（Kathleen Yardley Lonsdale）同样成就卓绝。她于1903年出生于爱尔兰，但由于年幼时父亲处境艰难，因此自小在英国长大。朗斯代尔完全凭借自身的努力，成为X射线晶体学领域的学术先锋，并最终成为国际晶体学联合会（International Union of Crystallography）的第一位女性主席。

当她还在上小学的时候，朗斯代尔对自然界的研究热情就达到了近乎饥渴的程度。由于女子学校不开设自然研究课程，因此她离开了原来的高中（伊尔福德郡女子高中），改赴男子学校上学。朗斯代尔很快就从高中毕业，并在16岁时进入贝德福德女子学院（Bedford College for Women）。在那里，她依然表现出色，并获得了多项奖学金。

朗斯代尔的出色才能没有被埋没，诺贝尔奖得主威廉·亨利·布拉格很快便聘请她进入自己的实验室工作。以这项工作为起点，朗斯代尔在之后的职业生涯中取得了非凡的成就。1945年，她成为第一位当选皇家学会（相当于英国的国家科学院）会士（Fellow of the Royal Society）的女性。同时当选的还有另一位名叫玛乔莉·斯蒂芬森（Marjory Stephenson）的女微生物学家。

朗斯代尔于1971年去世，在她去世前不久，科学家在陨石中发现了一种金刚石的新形式。为了纪念朗斯代尔，这种新的矿物被命名为朗斯代尔石（lonsdaleite）。

有趣的是，在朗斯代尔之前仅有一名女性被提名为皇家学会会士。1902年，也就是朗斯代尔出生前一年，赫莎·埃尔顿（Hertha Ayrton）曾获得提名。然而，英国皇家学会驳回了她的提名，原因很简单：她是一名女性。尽管如此，埃尔顿仍然是一位成果丰硕的科学家和数学家。2010年，她被追授为英国历史上最具影响力的十大女科学家之一。朗斯代尔同样名列其中。

在与威廉·亨利·布拉格合作期间，朗斯代尔收集了许多石墨样本，并利用X射线衍射确定了其结构。在那时，科学家已经知道石墨是煤中一个很有趣的品类，因此使用碳的分子式C来表示石墨。X射线衍射是一种有效的工具，能够帮助我们搞清楚为什么虽然金刚石和石墨同样由碳构成，但看起来却如此不同。

朗斯代尔的发现在当时看来很新奇，但也算不上什么惊天动地的发现：碳原子沿平面延展形成一层层六边形网络，不同的层逐层堆叠到一起。处于同一层的碳原子之间距离相对较小，而处于不同层的碳原子的间距则要大得多。这一特点直接导致同一层的碳原子间以及不同层的碳原子间的相互作用在强度上存在巨大差异。也就是说，同一层的碳原子间的化学键要远强于不同层的碳原子间的化学键。

自那时起的近80年里，有一个问题一直困扰着研究人员：是否有可能剥离出单一的碳原子层，这种单层结构将具备哪些性质？我们现在知道单层石墨被称为石墨烯，而我们此时正身处石墨烯革命的热潮中。

根据石墨烯的晶体结构，我们可以做出一些推测。同一层碳原子间的碳键的长度表明石墨烯具有芳香性。这也就意味着同一层的碳原子间的结合很紧密，而且碳原子“沉浸”于离域电子中。如果这种推测是正确的，那么石墨烯应该就是一种性能良好的导体。这完全符合当时科学家们的认知，因为从20世纪20年代起，在近半个世纪的时间里，石墨碳棒在各种生产流程中都被用作电极。

事实上，你甚至可以自己在家中体验一下石墨的这种特点：取一支铅笔，切断橡皮端，然后将两头削尖。如果将一个伏特表或者万用表连接到铅笔上，你就可以测量出这支铅笔固有的电学性能。你甚至还可以亲自动手，在纸上制作一个真正可运行的石墨电路。你要做的只是利用铅笔画几条线，然后连接上一节电池。如果你在电路中连上一个发光二极管（LED），那么它就会真的亮起来！

然而，科学家在上个世纪并没有很好地预测到石墨烯的其他性质。石墨是灰色的，也不透明，但单一的碳原子层会是什么样子呢？它还具备什么潜力在等待我们去发掘吗？

石墨烯之所以能够成为一种极强韧且具有良好导电性能的材料，其二维的结构起着至关重要的作用。石墨之所以具有润滑剂的性质，正是因为同层的碳原子间结合得很紧密，而不同层的碳原子间结合力较弱。这使不同的碳原子层间能够轻松实现相互滑动。由于电子通常都 “贴附”在它们所属的碳原子层上，因此石墨在碳原子层的平面上的导电性能极佳，但层间的导电性能却很差。

如果你还是不太理解，可以这样想想。假设你自己就是石墨烯上的一个电子，那么你可以随心所欲地前后左右任意移动。做个类比的话，就相当于你在地面上随意散步。你可以在一片平坦的开阔地上肆意奔跑，没有任何障碍。这片土地为你开启了前后左右四个运动方向。

然而，要想向上下两个方向运动可就不容易了。现在想象一下你身处的这片开阔地。户外天气晴好，地上是一望无际的青草。仰望天空，万里无云。在这个晴朗的日子里，你抬头看到空中飘浮着一个个浮动的平台，这些平台与你所处的土地完全相同。

让我们来想象一下这些平台上的场景。在不同高度悬浮的平台上，有一个个狗狗公园。当你站在一个公园的地面上时，你很清楚所有公园都是完全相同的——你和你的狗狗可以自由地奔跑，并一起玩扔飞盘的游戏。在地面上漫步一段时间后，你就会到达这片土地的边缘，见到陡峭的悬崖。悬崖下面，还有许多完全相同的土地。其他人也在你视野下方的土地上漫步和奔跑。

当你站在悬崖边的时候，可以看到一座座梯子连接着不同高度上的土地。不过，要想通过悬梯从一层到达另一层，仍然是困难重重的事情。考虑到如果要转移到新的公园，自己不得不抱着狗狗，你可能多半会失去换一层的兴趣，而是选择留在现在的这片土地上继续漫步。从量子力学的角度来看，你也不太可能选择走近悬梯并动手攀爬。因为由奔跑到攀爬，这种运动模式的改变需要很多能量，而且注意力需要高度集中。

这样一种材料最初时纯属学术上的探究，并没有过多重要的意义。如图1-3所示，石墨烯起初并未引起科学界或商界的浓厚兴趣。直至20世纪90年代，科学文献中都很少提及石墨烯的概念。从1900年到1990年间，每隔几年会零星发表一些相关的论文。

然而，在上世纪80年代末碳纳米技术腾飞之后，伴随着富勒烯和纳米管的发现，人们对石墨烯的兴趣被重新点燃。扫描隧道显微镜（scanning tunneling microscopy）等新的分析技术使人类拥有了空前高的分辨率，可以在原子尺度上对化学系统进行研究。自此，每年都会有数十篇论文发表，探讨如何分离这种难以捉摸的材料，并研究其性质。

直到2001年，在诺沃肖洛夫和海姆使用简单的透明胶带分离出石墨烯后，石墨烯研究才真正开始进入主流视野。我们将在第3章详细介绍石墨烯的整个发现历程。

仔细观察图1-3就会发现，相关论文的发表数量在2010年出现了大幅增加。而诺沃肖洛夫和海姆正是在这一年凭借其9年前的发现获得了诺贝尔化学奖。在获奖后的6年时间里，全世界发表了数十万篇相关论文，并在这种神奇材料上投入了数十亿美元。正如你将在后续章节中读到的，前进的道路并非一路坦途。