יסוד אחד, חומרים רבים
טבעת יהלום וה“עופרת” שבעיפרון עשויות מאותו יסוד. עופרת העיפרון היא גרפיט (מעורב בחימר), וגם הגרפיט וגם היהלום הם פחמן טהור. האחד הוא החומר הטבעי הקשה ביותר, שקוף ונוצץ; השני רך, אפור ומשאיר סימנים על נייר. צורות של יסוד אחד שהמבנה שלהן שונה נקראות אלוטרופים. אצל הפחמן ההבדל אינו באטומים כלל, אלא רק באופן שבו הם מחוברים.
יהלום: רשת קשיחה
ביהלום כל אטום פחמן קשור לארבעה אחרים, במרחק 0.154 ננומטר, בקודקודים של ארבעון. כל אחד מהם קשור לארבעה נוספים, לכל הכיוונים, כך שהגביש כולו הוא רשת רציפה אחת של קשרים חזקים. אין כיוון שבו קל לכופף אותו או לפצל אותו, ולכן יהלום הוא החומר הטבעי הקשה ביותר, דרגה 10 בסולם מוס. כל האלקטרונים החיצוניים כבולים בקשרים, ולכן יהלום אינו מוליך חשמל, אף שהוא מוליך חום טוב יותר מנחושת. הוא גם צפוף: 3.51 גרם לסנטימטר מעוקב.
גרפיט: יריעות שמחליקות
בגרפיט כל אטום פחמן קשור לשלושה שכנים בלבד, במרחק 0.142 ננומטר, ביריעות שטוחות של משושים שנראות כמו רשת לולים. היריעות מונחות זו על זו במרחק 0.335 ננומטר, יותר מפי שניים מאורך הקשר, ומה שמחזיק אותן יחד הוא רק המשיכה החלשה בין יריעות שכנות. הן מחליקות זו על זו בקלות, ולכן גרפיט מרגיש חלקלק ונמרח על הנייר כשכותבים. האלקטרון הרביעי של כל אטום פחמן משותף לכל היריעה שלו, ולכן גרפיט מוליך חשמל לאורך היריעות. בלחץ רגיל הצורה היציבה ביותר של פחמן היא גרפיט ולא יהלום, אבל ההפיכה של יהלום לגרפיט איטית כל כך שיהלומים נשארים יהלומים.
נסו: בחרו גרפיט והעלו את החלקת השכבות העליונות עד צעד אחד, ואז נסו את יהלום. בחרו אטומים תחת התקרבות לאטומים כדי לראות את היריעות גולשות זו על זו, בזמן שהקשרים של היהלום נמתחים ונשברים.
גרפן: יריעה אחת
קלפו גרפיט עד שתישאר יריעה אחת, וקיבלתם גרפן, שכבה בעובי אטום אחד. אנדריי גיים וקונסטנטין נובוסלוב בודדו אותו לראשונה בשנת 2004, בשיטה שהתפרסמה: קילוף גרפיט בסרט הדבקה. על כך חלקו את פרס נובל לפיזיקה לשנת 2010. יריעה אחת בולעת רק כ־2.3 אחוזים מהאור שעובר דרכה, ובכל זאת היא מהחומרים החזקים ביותר שנמדדו אי פעם, והיא מוליכה חשמל טוב מאוד.
C₆₀: כדורגל מולקולרי
בשנת 1985 גילו הארי קרוטו, רוברט קורל וריצ’רד סמולי שפחמן שהפך לאדים יוצר צברים יציבים של 60 אטומים בדיוק. האטומים יושבים בקודקודים של 12 מחומשים ו־20 משושים, התבנית של כדורגל, בכלוב סגור שקוטרו כ־0.7 ננומטר. הם קראו לו באקמינסטרפולרן, על שם האדריכל של הכיפות הגאודזיות, וחלקו את פרס נובל לכימיה לשנת 1996. הקשרים המשותפים לשני משושים קצרים מעט מאלה שגובלים במחומש: כ־0.140 לעומת 0.145 ננומטר.
מה המודל הזה משאיר בחוץ
החומרים שרואים לפני ההתקרבות מצוירים בצורה אידיאלית: תמניון של יהלום, ערימה של פתיתי גרפיט, יריעת גרפן וגביש כהה של C₆₀. גרפיט וגרפן אמיתיים מקומטים מעט ויש בהם פגמים, וההחלקה שמוצגת כאן מזיזה חצאים שלמים בבת אחת. אלוטרופים אחרים, כמו ננו־צינוריות ופיח אמורפי, לא מוצגים.