我小時候第一次上美術課時，老師巴靈頓先生告訴我們，眼睛所見的東西都是由原子組成的。所有東西。只要明白這一點，就踏出了成為藝術家的第一步。教室裡鴉雀無聲。他問我們有沒有問題，但所有人都愣住了，懷疑自己是不是走錯了教室。巴靈頓先生繼續講他的美術概論，他在牆上貼了一張紙，拿起鉛筆在紙上畫了一個正圓。同學們開始興奮起來，同時鬆了一口氣。我們應該沒有走錯教室。
巴靈頓先生說：「我把原子從鉛筆轉到了紙上。」說完開始大談石墨炭筆多麼適合當成藝術表現的工具。「重點是，」他說，「雖然我們的文化推崇鑽石為最高階的碳，其實它根本無法做出深刻的表現。鑽石跟石墨不同，鑽石從來不曾創造出好的藝術。」我不難想像他對藝術家達米恩‧赫斯特價值五千萬英鎊的鑲鑽骷髏頭作品「獻給上帝之愛」會給出什麼評價。
不過，巴靈頓先生認為鑽石和石墨這兩種碳是彼此為敵的，這可是一點也沒錯。一邊是漆黑、實用又適合表達的石墨，一邊是崇高、冰冷、堅硬而閃耀的鑽石，雙方從遠古一直纏鬥至今。就文化價值而言，鑽石長期霸佔贏家寶座，但局勢可能就要改變。我們對石墨的內部構造有了新的理解，使它成了令人驚歎的事物。
就在美術老師讓我接觸到石墨的三十年後，我來到曼徹斯特大學物理系三樓一間以日光燈照明的辦公室，跟全球頂尖的碳專家海姆（Andre Geim）教授見了面。我真希望他和巴靈頓先生一樣，只用石墨當表達工具。可惜他拉開書桌抽屜時，裡面滿滿的都是圓珠筆和馬克筆。海姆講話帶著濃濃的俄國口音，他對我說：「正圓是不存在的，米奧多尼克。」我突然不曉得他有沒有聽懂剛才那段往事的重點。接著他從抽屜拿出一個紅色皮製展示匣說，「你看一下，我去沖咖啡。」
展示匣裡是一枚餅乾大小的純金金牌，上頭刻著某個男人的浮雕像。我把金牌拿在手裡掂了掂，發現它的金屬感很重。純金是金屬世界裡的全脂奶油，我沒想到色澤這麼晦暗，把我嚇了一跳。金牌上的浮雕像是諾貝爾，還有一行小字敘述海姆的研究團隊贏得了2010年的諾貝爾物理學獎，表彰他在石墨烯研究上做出的重大突破。石墨烯是一種二維石墨，也是材料世界的驚奇之作。我一邊等海姆拿咖啡回來，一邊沉思他剛才的奇怪答覆。難道他是在暗示過去10年的碳研究讓他兜了一大圈，結果卻沒回到原點？
碳是輕量原子，質子數為6，碳原子核內通常有六個中子，有時為八個，但這種名為碳-14的碳原子，原子核極不穩定，會因放射性衰變而裂解。由於衰變率長時間恆定，加上許多物質都含有碳-14，因此測量物質內的碳-14含量就能推算該物質的年齡。這種科學方法稱為碳定年法，比其他方法更能幫助我們掌握遠古事件。巨石陣、都靈裹屍布和死海古卷都是靠碳-14確定年代的。
撇開放射性不談，對碳而言，原子核的重要性不大。就碳的其他性質和表現來看，環繞和屏障碳原子核的六個電子才是關鍵。其中兩個電子位於接近原子核的內層，對碳原子的化學性質毫無影響，也就是跟碳和其他元素的反應無關。剩下的四個電子位於最外層，性質活躍。就是這四個電子，讓鉛筆的石墨筆芯和訂婚戒指的鑽石大不相同。
鑽石是最昂貴的碳結構
碳原子有很多選擇，最簡單的就是把四個電子跟另一個碳原子分享，形成四個化學鍵。這可以化解四個電子的活性，每個電子都有來自另一個碳原子的電子與之配對，形成非常穩固的晶體結構，也就是鑽石。
鑽石的晶體結構
目前人類發現的最大鑽石位於銀河系巨蛇座的巨蛇頭，它是脈衝星PSR J1719-1438的衛星，體積為地球的五倍。相較之下，地球的鑽石小得可憐，最大也只跟足球差不多，這顆鑽石來自南非卡利南礦場，於1907年獻給英王愛德華七世祝壽，目前屬於英國王室的加冕珠寶。這枚鑽石在地表下極深處形成，大約是地底三百公里左右，經過數十億年的高溫高壓才從純碳巨岩變成鑽石，之後應該是由火山噴髮帶到地表，默默蟄伏了數百萬年才被人類在礦坑裡發現。
我小時候經常被拎去博物館，參觀國立某某館或某某院，而我不管去哪一館哪一院，都覺得很無聊。我試著模仿大人的動作，帶著若有所思的神情在館裡默默走動，或站在某一幅繪畫或一尊雕塑前沉思，可惜沒用，一點感覺或收穫都沒有。但去參觀加冕珠寶就不同了，我一進去就迷上了，感覺就像進了阿拉丁的寶庫。金飾和珠寶彷彿在對我說話，比藝術更基本、更原始，一股虔敬之情在我心中油然而生。事後回想起來，我覺得震懾我的不是金銀財富，而是那純粹的物質性。
一大群參觀者擠在「非洲之星」（卡利南礦場那枚全球最大的鑽石切割完成後，命名為非洲之星）前面，光是瞥見它一眼就讓我永生難忘。即使有一個身穿潮濕格子襯衫的大塊頭男人和一個嘖個不停的印度婦人擋在我前面，我是從那男人的腋下看到的，依然讓我印象深刻。在場有印度婦人也實在巧合，因為我後來看我父親的百科全書時才發現，印度過去是鑽石的唯一來源地，直到18世紀中葉其他地區（尤其是南非）也發現鑽石才失去獨佔地位。
事實上，每顆鑽石都是一整塊單晶。一顆鑽石通常含有大約一千萬億億（1，000，000，000，000，000，000，000，000）個原子，排列組合成完美的金字塔結構。就是這個結構讓鑽石擁有如此特別的性質。電子在這個結構中被牢牢鎖住，非常穩固，因此鑽石才會以硬度著稱。鑽石很透明，但色散率高得出奇，所以會讓入射光分解為七色，產生耀眼的七彩光輝。
極度堅硬加上色澤晶瑩，讓鑽石成為幾近完美的寶石。因為硬度高，所以幾乎不會遭任何東西刮傷，可以永遠保持切面完整、亮度無瑕，不僅能終生佩戴，甚至能抵受文明更迭。無論晴雨，在大風沙或叢林中佩戴，甚至洗衣時戴著，統統不用害怕。人類早在遠古時代就知道鑽石是世界上最堅硬的材質。鑽石的英文diamond，源自古希臘文adamas，意思就是「不可改變」和「不會碎裂」的。
瀟灑的鑽石大盜
把卡利南鑽石安全運回英國是一項艱巨的挑戰，因為南非挖到史上最大未加工鑽石的消息早已在報紙上大肆傳開。所有惡名昭彰的匪徒都有可能對鑽石下手，包括搶過一整船鑽石的大盜沃斯（Adam Worth）。福爾摩斯的死對頭莫裡亞蒂教授，就是以沃斯為靈感創造出的人物。最後，運送者想出了一個足以媲美福爾摩斯的天才計劃。他們派出重兵用汽船運送假鑽石，把真鑽石用簡單的棕色紙箱裝好寄回英國。
這套計謀之所以奏效，得歸功於鑽石的另一項特點：因為它只由碳組成，所以重量極輕。卡利南鑽石整顆的重量不過半公斤多一點。
沃斯並非是唯一覬覦鑽石的人。由於有錢人越來越愛收藏巨鑽，導致飛賊這種新型的犯罪應運而生。鑽石質輕價高，就算只偷到彈珠大小的鑽石也能讓人終生衣食無虞，而且鑽石一旦失竊，幾乎再也追不回來。相較之下，我就算偷了海姆的獎牌熔成金塊，頂多也只能賣個幾千英鎊。
鑽石大盜的形象就和他們偷竊的東西一樣，優雅、純淨又有教養。在電影《捉賊記》和《粉紅豹》裡，鑽石都被描繪成受囚禁的公主，而來解救它們的白馬王子，白天是名流士紳，夜裡是飛天大盜，飾演者都是加裡‧格蘭特或大衛‧尼文之類的明星。在這些電影裡，偷竊鑽石是義舉，而鑽石大盜手腳輕盈，只要有黑色緊身衣，並熟悉豪宅和藏在名畫後面的保險箱就能搞定。然而竊取錢財或黃金的銀行搶匪或火車大盜，卻被描繪成罪大惡極，全是貪婪凶狠之徒。
鑽石雖然價值不菲，卻從來不曾像黃金一樣成為全球貨幣體系的單位。它不是流動資產，而且確實如此，因為鑽石無法熔解，所以也無法貨幣化。巨鑽除了引發讚歎之外毫無用途，最重要的功能只有展現地位。20世紀以前，只有富商巨賈買得起鑽石，但歐洲中產階級興起後，讓采鑽者看到了誘人的新商機。戴比爾斯公司於1902年掌握了全球90％的鑽石產量。對他們來說，如何把鑽石推銷到更大的市場，卻又不會貶損其價值是最大的難題。
這家公司靠著高明的營銷手腕克服了這一點。他們發明了「鑽石恆久遠」這句廣告詞，灌輸世人唯有鑽戒才能表達堅貞的愛情的觀念。凡是希望愛人相信自己真心誠意的男人都應該買一隻鑽戒，而且越貴越能代表真心。
這套營銷手法空前成功，讓鑽戒變成家家戶戶的必備品。其中最經典的是007系列電影《金剛鑽》用約翰‧貝瑞作曲、雪莉‧貝西主唱的主題曲，把鑽石一舉推向真愛的聖殿。
鑽石變石墨
然而，鑽石並不久遠，至少在地表上無法達到永恆。它的同胞兄弟石墨其實更穩定，鑽石最終都會變成石墨，就連收藏在倫敦塔裡的非洲之星也不例外。雖然得花上幾十億年才會看見鑽石的改變，但對擁有鑽石的人來說，這或許仍然是令人難過的消息。
石墨的構造跟鑽石完全不同，石墨是碳原子以六角形聯結成的層狀結晶，構造非常穩定堅固，碳原子間的鍵結強度也高過鑽石。考慮到石墨通常當成潤滑劑或鉛筆的筆芯，它的碳原子鍵結強過鑽石，還蠻令人意外的。
石墨的晶體結構
這個問題不難解釋。石墨層內部的每一個碳原子，都跟另外三個碳原子共享四個電子，而鑽石內的碳原子則和四個碳原子共享電子。這使得石墨層的電子結構跟鑽石不同，雖然化學鍵更強，但缺點就是層與層之間缺乏多餘的電子形成穩固的聯結，只能靠材料世界的萬用膠支撐，它是分子電場變動產生的弱吸引力，稱為「范德華力」。藍丁膠的黏性就是來自范德華力。由於受力時范德華力會最先瓦解，使得石墨非常柔軟。這就是鉛筆的原理。把石墨筆芯壓在紙上會讓范德華力瓦解，石墨層於是滑到紙上成為字跡。如果范德華力不這麼弱，石墨會比鑽石還堅硬。而這正是海姆團隊的研究起點。
仔細觀察鉛筆的石墨筆芯，就會發現它是深灰色的，並帶有金屬光澤，難怪幾千年來一直被人誤認，稱它為「筆鉛」或「黑鉛」，而「鉛」筆也是因此得名。分不清鉛和石墨情有可原，因為兩者都是軟金屬（現在改稱石墨為半金屬）。
由於石墨不斷出現新用途，例如非常適合鑄造炮彈和槍彈，使得石墨礦也越來越值錢。17世紀和18世紀，石墨在英國貴得出奇，甚至有人挖掘秘密通道潛入礦坑偷取石墨，或是到礦場工作時趁機私下夾帶。石墨的價格飆漲，走私和相關犯罪也不斷增加，直到英國議會1752年通過立法對竊取石墨者處以重刑，最高可判一年勞役或流放澳洲七年，才遏止了這股歪風。1800年，石墨產業的規模更是龐大，所有石墨礦場入口都得由武裝警衛站崗以保安全。
石墨有金屬光澤，鑽石沒有，原因同樣來自石墨的六角結構。之前提過，鑽石內部每個碳原子的四個電子都各有一個外來電子與之鍵結，因此晶格內的所有原子都被牢牢固定著，且沒有「自由」電子。所以鑽石不導電，因為晶格內沒有電子可以自由活動以承載電流。然而，石墨內部碳原子的外層電子不僅會和隔壁碳原子的電子鍵結，還會形成一片電子汪洋。這會造成幾個結果：首先是石墨可以導電，因為結晶內的電子跟液體一樣可以自由活動。其次，愛迪生製作的首盞燈泡就是以石墨為燈絲，因為它的熔點高，就算強力電流通過，也只會散發白熱光，不會熔化。而且電子海還是光的電磁跳躍床，會反射光線，使得石墨會如同其他金屬一樣散發光澤。不過，海姆和他的同伴可不是靠解釋石墨的金屬性質拿到諾貝爾獎的。這只是他們的研究起點。
碳是地球上所有生物的生命基礎。雖然那些碳和石墨差別很大，不過只要燃燒就能輕鬆變成石墨的六角形結構。木頭加熱會變成黑炭，麵包也是，我們人類遇到火也會變得焦黑。然而，這些都不會產生黑亮的純石墨，因為產生的石墨層並沒有緊密疊合，而是零亂交錯。焦黑的物質其實種類繁多，但有一個相同點：它們都含有最穩定的碳結構——六角薄層。
煤炭化為黑玉
19世紀時又有一種焦黑物質躥起，那就是煤炭。煤炭和燒焦的麵包不同，它的碳原子六角形平面結構不是受熱產生的，而是腐殖質經過數百萬年的地質作用形成的。煤炭最初是泥炭，但在適當溫度和壓力的作用下會變成褐炭，接著轉為煙煤或瀝青煤，再變成無煙煤，最後成為石墨。在這個過程中，煤炭逐漸失去易揮發的成分，也就是腐殖質裡原有的氮、硫和氧，變成越來越純的碳。當六角形平面開始生成，煤炭就會出現金屬光澤。這個特徵在一些漆黑如鏡的煤炭上特別明顯，例如無煙煤。不過，煤炭很少是純碳，所以燒起來有時味道才會那麼重。
由智利南洋杉石化而成的煤炭最具美感。它質地堅硬，可以鑿切和拋光，散放美麗的烏黑光澤。這種煤炭又稱為黑琥珀，因為它和琥珀一樣能因摩擦而產生靜電，讓頭髮豎直。不過，黑玉才是它更廣為人知的名字。19世紀，英國維多利亞女王為了悼念夫婿亞伯特王子的辭世，決定終生服喪，從此黑衣素服並佩戴黑玉首飾，立刻讓黑玉蔚為時尚。
大英帝國對黑玉的喜好突然大增，使得黑玉礦藏量豐富的約克郡惠特比鎮（就是作家斯托克後來寫下《吸血鬼德古拉》的地方）一夜之間全面停止生產燃料，改做悼念首飾，從此成為知名的黑玉珠寶重鎮。
過去若是宣稱鑽石跟煤炭以及石墨是同一種東西，一定會被笑是癡人說夢。一直到化學家開始觀察鑽石受熱後的變化，局面才有所改觀。
1772年，化學之父拉瓦錫就這麼做了。他加熱鑽石至火紅，發現鑽石燃燒後什麼都沒留下，一點不剩，彷彿徹底消失了。這個實驗結果讓他大為意外。其他寶石無論是紅寶石或藍寶石都能耐赤熱，甚至白熱，完全不會燃燒，而鑽石身為寶石之王卻似乎有著致命弱點。
拉瓦錫接下來做的事情真是深得我心，充分展現了實驗的優美之處。他在真空中加熱鑽石，不讓空氣與之反應，好加熱到更高的溫度。這個實驗說易行難，尤其當時是18世紀，連要製造真空都不簡單。然而，鑽石受熱後的反應讓拉瓦錫瞠目結舌。鑽石依然不耐赤熱，但這回沒有消失，而是變成了石墨：證明鑽石和石墨確實由同一種物質組成，也就是碳。
知道這一點後，拉瓦錫和無數的歐洲人便開始尋找逆轉的方法，想把石墨變成鑽石。找到的人就能一夜致富，因此所有人都爭先恐後。然而，這是艱巨的任務，因為所有物質都傾向從不穩定態轉變為穩定態，而鑽石的結構比石墨穩定，所以需要極高的溫度和壓力才能反轉這個過程。地殼下有這種條件，但仍需要數十億年才能生成一枚巨鑽，而在實驗室模擬同樣的環境非常困難。每隔幾年就有人宣稱成功，卻又一次次被證明失敗。投入實驗的科學家沒有人一夜致富，有人說這證明了沒人成功，有人則懷疑成功的人秘而不宣，暗地裡慢慢發財。
合成多種碳結構
無論真相如何，一直到1953年才有可靠證據顯示，真的有人做到了。如今人造鑽石是非常龐大的產業，但仍舊無法跟天然鑽石相抗衡。原因有幾點：首先是雖然相關技術已經非常精進，使得小枚人造鑽石的價格遠低於開採得到的天然鑽石，但這些鑽石往往不夠透明且有瑕疵，因為加速製造的過程會產生缺陷，使得鑽石染到顏色。事實上，這些鑽石幾乎都用在採礦業，裝配在鑽探和切割工具上，不是為了美觀，而是為了讓工具能切開花崗岩和其他的堅硬石塊。
其次，鑽石的價值主要來自它的「純正」。求婚鑽戒雖然跟人造鑽石構造相同，卻是在地底深處醞釀十億年而形成的。再次，就算你超級理性，不在乎寶石的出身來歷，購買人造鑽石贈送愛人還是要價不菲。市面上有許多閃亮的替代品不僅便宜許多，而且同樣璀璨耀眼，只有鑽石專家才分得出真假，例如方晶鋯石就是不錯的選擇，甚至玻璃也可以。
不過，鑽石的崇高地位除了受到石墨的強力挑戰，還面臨另一個打擊，那就是它並非世上最硬的物質。1967年，人類發現碳原子還有第三種排列方式，能形成比鑽石還堅硬的物質。這個物質名叫六方晶系隕石鑽石，結構以石墨的六角形平面為基礎，只是改為立體構造，據稱硬度比鑽石高出58％，但由於數量太少，所以很難測試。最早的樣本是在美國亞利桑納州迪亞布洛峽谷（Canyon Diablo）的隕石上發現的，高熱和巨大的撞擊力把石墨變成了六方晶系隕石鑽石。
沒有人用六方晶系隕石鑽石做成婚戒，因為產生六方晶系隕石鑽石的隕石撞擊非常罕見，而且也只會生成極小的晶體。但發現碳的第三種排列方式還是不免引來好奇，除了鑽石的立方體結構，煤炭、黑玉、木炭和石墨的六角形結構及六方晶系隕石鑽石的三維六角形結構之外，會不會還有其他的排列方式存在？感謝航空工業，第四種排列方式很快就有人合成出來了。
飛機早期多由木材製成，因為木材質輕而硬。第二次世界大戰期間，速度最快的飛行器其實是名叫「蚊式轟炸機」的木造飛機。然而，使用木材製作飛機骨架問題不少，因為很難做出無缺陷結構。因此當工程師想做出更大的飛行器時，便轉而採用一種名叫鋁的輕金屬。但鋁還是不夠輕，所以許多工程師絞盡腦汁希望找出比鋁更輕、更堅固的材料。這種材質似乎不存在，於是1963年英國皇家航空研究院的工程師決定自己來發明。
更輕更強的碳纖維
他們為這個材質命名為碳纖維，方法是把石墨紡成細絲。細絲織成布料再縱向捲起，就會有極高的強度和硬度。不過它的弱點跟石墨一樣，就是仍然要依靠范德華力，但這問題只要用環氧膠包住纖維就可以解決了。於是一種全新的材質就此誕生，那就是碳纖維複合材料。
雖然碳纖維日後確實取代了鋁成為製造飛機的材料（幾年前問世的波音787，機體的七成是使用碳纖維複合材料），但這中間耗費了不少光陰。體育用品製造商可是立刻就愛上了這個材料。它一舉提升了球拍的效能，使得死守鋁和木材等傳統材質的球拍，很快就被超越了。
我還清楚記得我朋友詹姆士拿著碳纖維網球拍來球場的那一天。球拍上碳纖維的黑色方格紋路非常明顯。比賽前，他先把球拍借我，讓我打幾球感受它的輕盈與威力，然後拿回球拍，在比賽中把我打得落花流水。跟一個球拍比你輕一倍，力量比你大一倍的人打球，實在非常令人喪氣。我朝他大吼：「你碳狠了！」可惜沒用。
沒多久，這個材料便橫掃所有能用它製作出更輕、更強力器材的運動。基本上就是所有的運動。20世紀90年代，工程師開始用碳纖維製造更符合空氣動力學的單車，從此改寫了自行車競賽。其中最經典的例子，或許是英國自行車傳奇博德曼（Chris Boardman）和勁敵歐伯利（Graeme Obree）爭奪「一小時紀錄」的比賽。這項比賽是要瞭解人類單憑體力，能在一小時內騎多遠。兩位選手於20世紀90年代憑借製作越來越精良的碳纖維單車，不僅持續突破世界紀錄，也不斷打破對方的紀錄。1996年，博德曼騎出一小時56.375公里的紀錄，引發了國際自行車聯盟的強烈反彈，立即下令禁用碳纖維單車，因為他們深怕這個新材料會徹底改變自行車運動的本質。
一級方程式賽車的做法完全相反。他們經常改變規則，以強迫車隊在材料設計上不斷創新。的確，科技領先是賽車運動不可或缺的一部分，而勝利不只是出於車手的駕駛技術，更來自工程設計的突破。
除了車類競賽，連賽跑都受到碳纖維的影響，使用碳纖維義肢的殘障選手越來越多，終於使得國際田徑總會在2008年下令禁止這些運動員和體格健全的一般選手同場競技，因為他們認為碳纖維義肢會造成不公平的競爭優勢。不過，這項命令遭到國際體育仲裁法庭的否決。2011年，南非短跑選手「刀鋒戰士」皮斯托瑞斯參加了南非世界田徑錦標賽的男子400米接力，全隊獲得了銀牌。除非田徑聯盟採取自行車聯盟的做法，否則碳纖維注定會在田徑競賽上扮演更重要的角色。
碳纖維複合材料空前成功，讓不少工程師開始幻想追求最不可能的目標。他們問道：這個質地強韌的材料是不是能實現人類長久以來的夢想，興建一座電梯直達太空？太空電梯計劃又稱為天鉤、天梯或宇宙纜車計劃，目的在興建一條通道，連接赤道和赤道正上空的同步人造衛星。這個計劃若能完成，外太空旅行將立刻成為人人負擔得起的活動，所有人員和貨品都可以輕鬆送上太空，幾乎不必耗費能源。
俄國工程師阿特蘇塔諾夫（Yuri Artsutanov）於1960年率先提出這個構想，希望建造一條長達3.6萬公里的纜線，連接衛星和赤道上的定點船隻。所有研究都顯示他的構想確實可行，但製作纜線的材料必須具備極高的強度重量比。之所以要考慮重量，是因為搭建任何纜線結構前，都必須先考慮它能否支撐自己而不致繃斷。因此以3.6萬公里長的纜線來說，每股纜線的強度必須能舉起一頭大象，但即使頂級碳纖維也只能舉起一隻貓。不過，這是因為碳纖維缺陷太多。理論計算清楚指出，只要能做出純碳纖維，它的強度就會大幅提高，甚至超過鑽石。於是所有人開始尋找方法，希望做出這樣的材料。
另外一種碳原子排列方式的出現為搜尋者帶來了曙光，而且出自一個眾人都始料未及的地方，那就是蠟燭的燭焰。1985年，克洛圖（Harold Kroto）教授的研究團隊發現燭火內的碳原子竟然會自行集結成超分子，而且都恰好包含60個原子。這些超分子外觀有如巨大的足球，而建築師巴克敏斯特‧富勒正好設計過結構相同的六角網格球頂，因此這些超分子也稱為「富勒烯」。克洛圖的研究團隊因為這項發現而獲頒1996年的諾貝爾化學獎，同時也讓世人明白了一件事：微觀世界裡可能還包含許多人類未曾見過的碳原子排列方式。
「富勒烯」的分子結構
碳原子幾乎一夜之間成了材料科學最熱門的研究對象，而且另一種碳原子的排列方式很快就出現了。
在新的結構中，碳原子會形成直徑只有幾納米寬的長管，雖然結構複雜，卻有一個特殊性質，那就是它會自行集結，完全無需外力就能自行合成複雜的納米管，也不需要高科技器材協助，在蠟燭的煙裡就能成形。這感覺就跟發現微生物一樣，世界突然變成一個比我們想像得更複雜、更神奇的地方。不只是生物能自行合成複雜的結構，非生物世界也可以。世人開始著迷於製造和研究納米分子，納米科技也蔚為風潮。
納米碳管的分子結構
納米碳管很像迷你的碳纖維，只少了微弱的范德華力。科學家發現它是地球上強度重量比最高的物質，因此或許能用來製造太空電梯。所以問題解決了嗎？其實不盡然。納米碳管通常只有幾百納米長，但必須達數米長才能用來製作纜線。目前全球有數百個納米科技研究小組正努力解決這個問題，但海姆的團隊卻沒這麼做。
海姆的團隊問了一個更簡單的問題：既然這些新的碳原子排列方式都以石墨的六角形結構為基礎，而石墨本身又是一層層六角形平面堆棧而成的，那為何石墨不是我們在找的魔術材料？答案是，六角形平面狀的石墨層太容易彼此鬆動，使得石墨非常脆弱。但要是只有一層石墨層呢？那會是什麼狀況？
海姆端著咖啡回到辦公室時，我手裡依然拿著他的獎牌。雖然是他要我拿出來看的，我還是微微有一點罪惡感。他放下咖啡，從我手中取走獎牌，放了一塊來自英國坎布裡亞郡石墨礦場的純石墨到我掌心裡，跟我說這塊石墨是他到礦場拿的。他當時在曼徹斯特大學做研究，礦場就在同一條路上。說完他開始解釋他的團隊如何做出單層的碳原子六角形平面。
他撕了一小條膠帶貼在那塊石墨上，隨即把它撕下。只見膠帶上黏了一層散發著金屬光澤的石墨薄片。接著他又撕了一小條膠帶貼在石墨薄片上，再撕開。薄片順利分成了兩半。反覆四五次之後，石墨薄片越來越細薄，最後他說其中有些石墨的厚度只剩一個原子了。我看了看他手上的膠帶，只見上頭有幾個小黑點，但我不敢小覷，只好目不轉睛地盯著看。海姆笑著說：「你不可能看見的，一個原子厚的石墨是透明的。」我故意用力點頭假裝知道。接著海姆帶我到隔壁用顯微鏡看，這樣就能瞧見石墨的原子層了。
海姆的團隊拿到諾貝爾獎不是因為做出單層石墨，而是發現單層石墨的性質非常特別，就算放在納米世界中也一樣奇特，應該將它視為一種新材質，並且取個名字。他們決定叫它「石墨烯」。
神奇材料石墨烯
簡單來說，石墨烯是世界上最纖薄、最強韌和最堅硬的物質，導熱速度比目前已知的所有材料都快，也比其他物質更能載電，導電更快、電阻更小。此外，石墨烯還允許克萊因隧穿效應。克萊因穿隧效應是一種奇異量子效應，物質內的電子可以自由通過（隧穿）勢壘，彷彿障礙完全不存在。這表示石墨烯很有潛力成為迷你發電廠，取代硅芯片成為所有數字運算和通信的核心。
石墨烯的分子結構
石墨烯纖薄、透明、強韌又易導電，因此也可能成為未來觸控界面的首選材料，不僅能用在我們已經習以為常的觸控屏幕上，甚至連在物品和建築上也能應用。不過，石墨烯最出名也最古怪的一點，就是它是二維材料。它當然有厚度，只不過就只能這麼厚，薄一點或厚一點就不是石墨烯了。海姆的團隊展示了這一點。加上一層碳原子到石墨烯上，它就會變回石墨；取走一層碳原子就什麼也不剩。
我的美術老師巴靈頓先生說，石墨是比鑽石還要高等的碳，雖然他說話的當時並不知道我們在這裡討論的內容，但他幾乎全說對了。他還強調石墨的原子特性很重要，這一點也說對了。石墨烯是構成石墨的基本單位，厚度只有一個原子。你用鉛筆寫字，有時在紙上留下的就是它。石墨烯可以單純地用來表達藝術，不過它的功用遠大於此。石墨烯和捲成管狀的納米碳管將成為人類未來世界的重要推手，從微觀到宏觀，從電子到汽車、飛機和火箭，甚至（誰曉得？）太空電梯，統統都將與這兩種材料有關。
沒有石墨就沒有石墨烯。所以這表示石墨終於超越鑽石，這匹黑馬終於在纏鬥數千年後甩開鑽石脫穎而出了嗎？儘管現在還言之過早，不過我是有點存疑。因為雖然石墨烯終將開創工程科技的新時代，科學家和工程師也已經對它愛不釋手，但不表示它就至高無上了。鑽石或許不再是最堅硬和強韌的物質，我們也知道它並非永恆，但大多數人依然不這麼想。鑽石依然是堅貞愛情的見證。鑽石和真愛的聯結或許源自高明的營銷手腕，但對我們已經成為真實。
石墨烯也許比鑽石更有用處，但它不會熠熠生輝，它薄得幾乎看不見，而且只有二維平面，這些都不是世人眼中真愛的特質。因此，我認為除非哪天營銷公司看上石墨烯，否則立方晶體結構的碳依然會是女人最好的朋友。