21世纪，被称为“碳时代”！关于碳单质，除了自然界中原本存在的，科学家们还合成了许多结构不同、性质各异的碳的同素异形体。富勒烯、碳纳米管、石墨烯、石墨炔等的出现，都曾在科研圈掀起过研究热潮，尤其石墨烯堪称能改变世界格局的“世纪新材料之王”。如图 1所示，讲解碳元素的单质时，介绍这些新材料的发现过程，并按照杂化方式分类介绍其结构和性能。例如，自然界中天然存在的最坚硬的物质——金刚石为sp3杂化，三维石墨、二维石墨烯、一维碳纳米管和零维富勒烯等为sp2杂化，介绍杂化方式、结构、性能之间的关系，引申出“结构决定性能，内部原因决定外部表现”，暗喻提升自身内在修养是成功的前提和保障。介绍各材料的发现历程中引申出探索精神的重要性。零维富勒烯于1985年在模拟星际尘埃的实验中被“意外”收获[1]，富勒烯的发现者于1996年获诺贝尔化学奖。1991年，研究人员将石墨加热到1200 ℃以上，碳环重新排列形成一种两端封闭的管状结构——一维碳纳米管[2]。2008年，碳纳米管的发现者获得被学术界誉为“纳米科技界的诺贝尔奖”的Kavli科学奖。2004年，英国两位物理学家用微机械剥离法成功从石墨中分离出一种由碳原子以sp²杂化形成的六角型呈蜂巢晶格的二维碳纳米材料——石墨烯[3]。6年之后的2010年，两位科学家被授予诺贝尔物理学奖。石墨烯的发现推翻了所谓“热力学涨落不允许二维晶体在有限温度下自由存在”的原有认知，震撼了整个物理界[4]。石墨烯是目前世上最硬(比钻石还坚硬)、最薄(仅有一个原子层厚)、电阻率最小、几乎完全透明的材料，且具有极好的热稳定性、导热性和化学稳定性[5]。石墨烯优异的物理性质，使与其有关的新闻或者研究成果都受到了人们极大的关注。介绍中国学者在石墨烯研究中的卓越贡献，提高学生的民族自信心。如，2018年22岁的中国“天才少年”曹原因发现石墨烯超导角度轰动国际学界[6, 7]，开辟了凝聚态物理研究的新领域，成为Nature杂志创刊以来以第一作者身份发表论文的最年轻的中国学者，位居“2018年度世界十大科学人物”榜首，被称为“石墨烯驾驭者”[8]，并获2021年凝聚态物理领域青年物理学家最高奖(William L. McMillan Award)。sp和sp2混合杂化产生的碳材料家族的新成员——石墨炔，这一原本不存在于自然界中的同素异形体于2010年被中国科学院院士、中科院化学研究所研究员李玉良团队发现[9, 10]。2018年，科学家又发现了基于sp2和sp3混合杂化的全新的稳定碳结构碳同素异形体——Protomene [11]。关于碳材料，还可以联系到学生们喜欢的科幻电影如《流浪地球2》，其中有一项吸引了无数影迷目光的“黑科技”——太空电梯，而“太空电梯”的梦想也是基于碳纳米技术的发展[12]。