蜜蜂是这个世界上最神奇的昆虫之一,它们具有严密的团队组织结构,还有高超得不逊于人类的建筑技巧。虽然蚂蚁也有这样的能耐,可相比于蚁穴看起来毫无规律的建筑形式,蜂巢更像是排列整齐的公寓。如果说蚂蚁是不按套路出牌的艺术家,那么蜜蜂就更像是严谨的科学家。它们把自己的蜂巢建成一个个正六边形的小格子,每一个都如出一辙。如果把蜂巢平移一定的距离,让这些格子出现在新位置,正好能够覆盖原来的格子。
这种重复的规律结构,就跟“平移”操作出来的一样。
为什么小格子偏偏做成正六边形?其实是因为正六边形排列的结构,是对空间利用率最高的一种方式。当每只蜜蜂需要的空间和材料是一致的时候(即所有格子的面积都确定),只有堆砌成整齐排列的正六边形,才能做到既没有空隙,又让总的面积足够大。简单来说,就是建成正六边形,才能花最少的料,建最大的场子。之所以会有这个现象,其实有着很有意思的几何原理。
我们都知道,圆形是等周长的条件下,面积最大的一种形状。但圆形之间不能彼此贴合消除空隙,也就不能完全覆盖整个平面。能够紧密贴合覆盖整个平面的正多边形,只有三角形、正方形与正六边形,而最接近圆形的正六边形就成了最有效率的搭建模型。
不仅仅是蜜蜂,很多原子也会用这样的形式堆积。原子是构成世界万物的“建筑材料”,十分微小,一般的显微镜也无法看到它们。从外形上看,原子就像一个个小圆球,假如它们毫无限制地堆到一起,就会采取下图中的搭建方式,形成最致密的结构。在同一个平面上,每一个小球的周围都有六个小球,连接它们的球心,正好构成一个个正六边形。
说起原子排布,就不得不来说说石墨。石墨是一种常见的物质,铅笔芯能够书写主要依靠的就是石墨。
它们的微观结构跟蜂巢如出一辙。碳原子就是构成“蜂巢”的材料,而石墨就是由这一层层的“蜂巢”堆叠而成。在每一层石墨晶体中,每个碳原子都会和另外三个碳原子紧密结合,这样的结构保证了原子之间可以近乎于无限重复地连接,形成一张巨大的六边形网。这样的结构足够稳定。如果一个碳原子只和另外两个碳原子结合,一来很难形成无限结构,二来如果哪个链接断开,整个结构就报废了。
而且,由于石墨中碳原子之间的结合力非常大,甚至比金刚石里碳原子之间的作用力还要强,且每个原子都受力均匀,所以石墨的单层结构特别稳定,很难有外力将它们破坏。
但有意思的是,虽然单层石墨原子结构稳定,但层与层之间的结合力却很小,就像堆起来的纸张,彼此之间很容易发生“平移”。也正是有了这样的特点,石墨才可以充当铅笔芯,由碳原子构成的微型“蜂巢”在摩擦之下,一片片地从笔芯上脱落,附着到了纸上。
这本是习以为常的一种现象,然而就在2004年,英国曼彻斯特大学的科学家安德烈·盖姆却对此动起了脑筋:既然石墨可以一层层地脱落,那么有没有可能获得单层的“石墨”呢?于是,盖姆就用一种特制的胶带,一次次地剥离出石墨。功夫不负有心人,他最终得到了单层的石墨,并将其命名为“石墨烯”。
不要小看它,正因为单层石墨原子结构稳定,石墨烯是目前史上最薄但强度最大的纳米材料。因为具有优异的光学、电学、力学特性,被认为是一种很有前景的革命性材料。它的发现开创了近年来前沿科学的一项热门研究领域,而盖姆本人也因此获得了2010年的诺贝尔物理学奖。