說到世界上最堅硬的東西

你首先想到的可能是它

鑽石

鑽石就是經過琢磨的金剛石，而金剛石是目前地球上已知的自然物質中最堅硬的。

金剛石是由碳元素組成的單質晶體，我們都知道，當碳原子的排列組合方式不同時，物質形态也大不相同，這時我們把它們統稱為碳的同素異形體。

其中我們最常接觸到的就是石墨，也就是用來做鉛筆芯的材質。

鉛筆芯的材質就是石墨

雖然和金剛石一樣由碳原子組成，但它卻全然沒有金剛石這樣堅硬，反倒是質地非常柔軟。

那是因為石墨是層狀結構的，層與層之間以範德華力結合，容易滑動。

“

範德華力一般指分子間作用力，即存在于中性分子或原子之間的一種弱堿性的電性吸引力，它比化學鍵弱得多。

這也是為什麼石墨能用來寫字，其實石墨在紙上摩擦着色的過程，就是石墨層從石墨上剝離的過程。

石墨層狀結構

這些剝離的層狀物質也有自己的名字，叫做石墨烯，它也是碳的同素異形體。

換句話說，石墨烯就是單層的石墨。

從厚度上來看，單層石墨烯隻有一根發絲直徑的二十萬分之一。

看到這裡你可能會想，既然石墨烯是從石墨中剝離得來的，那應該也和石墨一樣柔軟吧？

完全相反，明明是從質地柔軟的石墨中剝離出來的，但石墨烯的強度卻比鋼還要硬200倍！

哥倫比亞大學的物理學家們曾對石墨烯強度做過一次全面測試，他們将厚度隻有10-20微米的石墨烯微粒放置于晶體薄闆上，然後通過探針給石墨烯樣品施加壓力。

随後物理學家們驚奇地發現，在每100納米距離上的小微粒，需要在施加了2.9微牛的壓力後才開始破裂。

根據這一結果，物理學家們測算出，如果要讓長度達到1米的石墨烯單層薄闆斷裂，那麼需要施加55牛的壓力。

相當于僅一層保鮮膜那麼厚的石墨烯，就需要一頭大象平衡地站在鉛筆上才能刺破。

大象站在鉛筆上才能刺破石墨烯薄闆

石墨烯竟如此“剛強”！

不過，我們這裡提到的強度，是指斷裂強度，和金剛石的“堅硬”不同。

石墨烯之所以強度高，是因為它是呈二維狀的平面薄膜材料，相較于其它三維材料（例如金剛石這種塊狀物體），石墨烯是由高度穩定的C-C鍵連接而成。

石墨烯二維六角網格狀結構

這種二維六角網格狀結構，不僅鍵強度極高，同時彈性和延展性也十分出色，石墨烯的延展幅度能達到自身的20%。

這便是石墨烯斷裂強度極高的原因。

基于石墨烯這一特性，如果把它用在航空航天、汽車行業上，那麼在保證材料強度的同時，重量也會輕很多，無論是安全性還是節能性上都能得到極大的提升。

參考文獻：

[1] 史蒂夫·米爾斯基.大象如何站在鉛筆上[M].北京:外語教學與研究出版社.2014:68-70.

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封面圖、插圖來源：Pexels

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