Echoes of a Distant Tide

在討論鑽石 (金剛石)與石墨的性質前，我們必需要了解其鍵結。

鑽石與石墨都是與碳為構成元素的材料，每一個碳會與相鄰的碳各出一顆電子，

形成堅強的「共價鍵」Covalent Bond。

大學的普通化學則會進一步提到「電子雲」的概念，

此後就要習慣將共價鍵視為電子雲的重疊。

而如果碳原子的周圍都有四個碳，那就會成為飽和的「八隅體」結構，

在鑽石的晶體結構中，每一個碳的周圍都有四個碳相鄰，

使他擁有飽和的sp3 混成軌域鍵結，在龐大的晶體結構中形成所謂「網狀共價鍵」，

所有的電子態 (electron state)都是填滿的，因此鍵結間沒有電子會跑來跑去，

因此想要導電，需要很高的活化能讓價電子被激發到激發態，

這種能量是常溫下無法獲得，所以鑽石在常溫下是絕緣體。

至於鑽石的硬度，也與其鍵結有很大關係。由於所有的鍵都飽和，

價電子的重組相當困難，所以碳原子之間的移動也變得非常困難，

因此讓鑽石有很高的硬度。

石墨的結構則是一層又一層的碳平面互相堆疊，碳平面之間以凡得瓦力維持連結，

由下圖可以注意到，一個碳原子只和其它三個碳原子相鄰，

所以他有一個鍵結是不飽和的，因此石墨在單層的範圍內具有導電性，

不過如果是垂直於層的方向，那導電性就很差了。

層與層之間微弱的鍵結也使其容易滑動，就好像兩張紙牌一樣，

因此石墨就不如鑽石這般難切割了。

這種容易剝離的層狀結構，後來引致了世紀大發現: 用膠帶就能撕出石墨烯 ! 

而對於車迷、航空迷來說，有一種耳熟能詳的材料: 碳纖維，其實和石墨是非常相似，

它同樣是碳以六角型相鄰的層狀排列，但卻擁有很強的機械性質，

原因是，相較於石墨的層狀結構相對上整齊排列，

我們可以想像成碳纖維就像是我們把石墨給捲起來，層與層之間的排列變得不規則，

反而使其很難滑移，因此機械性質便即為堅韌了。