提起元素碳，估计咱们学材料的都不会陌生：看看铁碳相图，通常我们靠含碳量的高低来调节铁碳合金材料的强度与韧性；在有机高分子领域，碳作为标志性元素则构成了整个生物圈的骨架。从上个世纪中期，富勒烯、碳纳米管、石墨烯等许多炭的材料相继进入人们的视野，这些炭材料组成的明星光环威力实在强大，不只材料界甚至商界投资界都流传着这么一句听起来牛气哄哄的话——“21世纪是碳的时代”。撇开这句话不说，今天我们一起来盘点下C的几个明星产品——石墨、金刚石、富勒烯、碳纳米管、石墨烯。
应该说，石墨和金刚石算是我们人类最早接触的两种炭材料，两者从外观到性质差别实在太大，完全让人看不出它们是“孪生兄弟”。石墨质地软脆，导电优异；而金刚石坚硬耐磨，几乎完全不导电。近代科学家告诉我们，其实金刚石和石墨化学成分完全相同，只是晶体结构不同。石墨晶体呈片状，同一层的碳原子以共价键连接，层间则是微弱的范德华力，结构内含有自由电子；而金刚石中碳原子按四面体形式以共价键紧密相连，组成无限的三维骨架，无自由电子，是典型的原子晶体，结构致密，是石墨的1.5倍。正是结构中碳原子的排列方式不同，使得两者具有不同的物理性质与用途。
很多人可能想当然的以为，金刚石是原子晶体，石墨为混合晶体（单层原子晶体，层间是分子晶体）前者熔点肯定高于后者，其实不然。由于石墨结构中共价键键长稍短于金刚石，键能较大，从而石墨的熔点稍高于金刚石。随之科技发展，如今金刚石与石墨也可在一定条件下实现转化。
到了1985年，《Nature》以封面文章的形式报道了一个具有60个原子的碳原子团簇，即C60。它是一种由60个碳原子构成的分子，形似足球，因此又名足球烯。随后科学家们也相继分离或合成出其他类型的足球烯，比如C28、C32、C50、C70、C240等等。
C60有许多优异性能，如超导、强磁性、耐高压、抗化学腐蚀，在光、电、磁等领域有潜在的应用前景。不过，这几年，富勒烯的风头逐渐被其他后来居上的碳族兄弟们所取代。当然，这可能也跟它问世30年来，未曾取得当年追捧时所构想的成绩有关。
紧随其后，1991年，日本电镜专家饭岛澄男发现了一种典型的富勒烯——碳纳米管。这可是一大突破，谁说搞仪器的就不能做材料？这就是一个赤果果的例子。
碳纳米管又名巴基管，是一种管状结构的碳原子簇，直径约几纳米，长约几微米，主要由呈六边形排列的碳原子组成的数层到数十层的同轴圆管构成，层与层之间保持固定的距离。通常终端封闭，也有终端开口或终端未完全封口的。碳纳米管的独特的分子结构导致它有奇特的宏观性质，如高比表面积、高抗拉强度、高导电性、高延展性、高导热性和化学惰性。
据理论计算，碳纳米管纤维的强度是钢的100倍，而质量仅为钢的1/7，可谓是理想的轻质高强度材料。碳纳米管还具有极强的储气能力，可用在燃料电池储氢装置上。利用碳纳米管的性质也可以制作出很多性能优异的复合材料。此外在电化学器件、显示器、纳米机械、电极、催化等领域也有不小应用。
时光悄然转向21世纪，碳家族另一个传奇“出生”了。前面我们说过，石墨原子层间是范氏力结合的，所以非常软。那么将石墨剥成一层，会出现什么结果呢？英国两位物理学家就这样尝试了，把石墨一层一层剥离，最终剩下二维的石墨结构，这就是石墨烯。据研究石墨烯的性能极为优异，电阻率极低，导热系数惊人，而且它是世界上最为坚硬的材料。碳的家族永远不乏奇迹，你看，这就是活脱脱一次从最软物质到最硬物质的华丽变身。
过去十年间，作为科学界的热点材料、工业界的新宠，石墨烯就像个自出生起就被宠得无法无天的小孩子。04年被发现，震撼了凝聚态物理界；仅6年后两位科学家获诺奖；之后世界各地几乎各个高校、研究所顷刻间都开始研究石墨烯——从制备到拿它与其他材料进行改性复合，并且不断有声音传来说某某领域获得大突破，有望引发科技革命。除去几分商业炒作的嫌疑，无疑石墨烯也自有它的奇特之处。
科学家们认为石墨烯的潜在应用广泛足以震惊世人：从微型晶体管、超级电容器、快冲电池到防弹衣、燃料电池质子交换膜，还有医药载体工具、轻薄防护层，石墨烯在复合材料、触摸屏、电子器件、储能电池、显示器、传感器、半导体、航天、军工、生物医药等多个领域具有广阔的发展空间。不过一来石墨烯的大规模制备一直是阻碍其商业化的最大瓶颈，二来能不能真的如愿，而非步它前几位兄弟后足，还有待时日观察。
迄今为止，这场关于石墨烯的战争也才刚刚拉开帷幕。不过喧嚣的时代总是缺少足够理智的声音，热潮的背后需要更多的 “冷思考”。这热捧的同时，社会上有出现了很多石墨烯乱象，例如有的公司混淆石墨烯及其他石墨产品的区别，跟风炒作，随便投一点钱就说公司开展石墨烯业务等等。或许只有在退潮之后，才能看到是谁在裸游吧。
[结语]
同一种元素碳，竟然可以演变出这么多五花八门、性质各异的材料出来，这不得不又回到初学材料时的那句话：结构决定性能。
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