正五边形有几条对称轴_正六边形有几条对称轴

概述

碳，一个在宇宙中排名第四多的元素，拥有独特的原子序数6。它的化合物多样性居于首位，因其可以形成多种同素异形体，如石墨、金刚石、富勒烯等。早在1996年，因发现碳60的贡献，三位科学家荣获化学奖。而仅仅十几年后，碳单质的研究再次获得诺奖的认可——这次是关于石墨烯的突破。

碳元素拥有15种同位素，其中最常见的碳含有6个中子。在碳的同位素中，碳-14（含有6个质子和8个中子）因其被广泛应用于考古学中。碳能够与绝大多数元素结合形成化合物。

碳的同素异形体丰富多样。其中，石墨和钻石因其独特的物理性质而广为人知。尽管它们均由碳原子构成，但性质却大相径庭。石墨柔软可以作为润滑剂，而钻石坚硬可作研磨剂。前者具备导电性，后者则具有绝缘特性。碳还可以构成其他多种结构，如碳60和碳纳米管等富勒烯。例如，碳60因结构独特且类似于足球，被命名为“足球烯”。不同的组合方式导致富勒烯有多种可能的结构：它可以由60个碳原子组成分子，也可以由70个碳原子组成分子；可以是由单层墙组成的碳纳米管，也可以是多层墙的纳米管。而大量碳60分子可进一步形成多种晶体结构，其物理性质也因晶体结构的不同而异。

碳的结构具有可塑性，既可以形成有序的晶体结构，也可以形成无序的非晶态结构。例如，煤炭主要由非晶态的碳组成；而玻璃则是一种非晶态材料的例子。理想晶体具有周期性排列，而非晶态材料虽然不具有周期性，但在短距离内仍有排列规律。对于非晶态结构的研究，尽管其性质与液体较为接近，但在一定程度上被视为固体。

非晶态和非晶体之间是否存在其他状态？实际上，在晶体和液体之间还存在着准晶态物质。这些物质分子的位置排布虽无序但具有各向异性取向序；在链状聚合物中，分子形成长链但链间无序或仅具有短程序。介于聚合物和晶体之间的是准晶态物质。准晶态物质具有长程取向序但无周期性。

图示四：左上图展示了二维Penrose瓷砖的准晶态结构；右上图则展示了另一个可以铺满平面但不具备平移对称性的例子；下图则展示了二维晶格和平移对称性的示例。对于准晶态物质，其晶胞的概念并不适用。

回顾1996年的化学奖得主们对碳60的发现后，仅仅十多年后石墨烯的研究也获得了诺奖的认可。上述所提及的碳的各种结构虽多为三维结构，但石墨烯却是二维晶格结构的代表。其导电能力与铜相当且更结实；同时它的导热能力在所有已知材料之上；更重要的是，石墨烯具有特殊的能带结构且包含需要考量相对论效应的零质量狄拉克费米子。正因这些独特的物理性质使得石墨烯成为了近十年内凝聚态物理研究的热点之一。

应用层面来看，自2004年石墨烯首次在实验室实现以来十年内便有近万项相关专利问世。目前石墨烯在半导体工业、电池、照明等领域已有广泛应用。未来基于石墨烯技术的触摸屏将更加轻薄、耐摔且易于弯曲甚至穿戴。

图示五：左图展示了石墨烯的晶格结构；右图揭示了其能带结构的特性。

原子序数为6的碳元素具有千变万化的结构并由此决定了其物性。无论是哪种形式都彰显了自然界的奇妙与奥秘。