码橙子的难题
大多数金属由一种原子构成，而在相当好的近似下，这些原子的行为就像一个个一模一样的硬球——好比一箱橙子。于是大自然面对的，是水果摊老板每天都碰到的难题：把一堆一样的球码起来，怎样才最齐整、最紧凑？码得松散就浪费地方；码得漂亮就能在同样的空间里装下更多。把这些球挤到几何所允许的最紧程度的那些排布，叫作密堆积结构，而它是这整篇指南中最重要的一个想法。
先从单独一层平铺的橙子开始。把它们铺开最紧的办法，就是那个显而易见的办法：每个橙子都窝进它邻居们之间的凹坑里，于是每个球都和周围的六个球相接触，像一个蜂巢。用圆来铺满一片地面，没有比这更密的方式了——你的水果摊老板不用人教就懂这个。所有有意思的选择，都出在*下一*层。
两种堆法，两种著名晶体
铺下第二层时，你其实别无选择，只能把每个新橙子放进第一层的凹坑里。可当你铺到第三层，岔路就出现了。你可以把第三层的橙子正对着第一层的橙子摆上去，于是这一摞按 A、B、A、B、A、B 交替——也可以把它们朝侧面挪进一组新的凹坑，得到 A、B、C、A、B、C。两种堆法堆得一样紧。两种浪费的空间一模一样。可它们是不同的晶体，而几乎每一种常见金属，都从这两者中挑了其一。
那种 A-B-A-B 的堆法——第三层回到第一层正上方——是六方密堆积结构，简称 hcp。锌、镁、钛、钴都属于这一类。而那种 A-B-C-A-B-C 的堆法——第三层挪到了一个新位置——出人意料地，竟是从一个角看过去的立方体；它就是面心立方结构，简称 fcc，是铜、铝、金、银、镍、铅的家。那堆看起来暖融融的 A-B-C 橙子，私底下竟是一个立方体，这是晶体学里真正叫人会心一笑的事实之一；把一个 fcc 立方体歪到一个角上，那些密堆积的层面就一下子蹦了出来。
数一数你的邻居
有一个奇妙而简单的数字，能抓住一个原子被码放得有多紧实：它周围有多少个别的原子在跟它相接触。这个数就是配位数，是晶体学家面对任何结构时最先要问的事情之一。配位数高，意味着每个原子都被许多邻居拥抱着，这通常意味着一种致密、键合紧密、结实耐用的材料。
在 fcc 和 hcp 这两种密堆积结构里，每个原子都和十二个别的原子相接触——本层里六个，上面一层三个，下面一层三个。十二是任何等大球的排布所能达到的最大值，这不过是换个说法在讲：它们就是最密的堆积。不过，并非每种金属都去追求最大密度。有相当多的金属——室温下的铁、铬、钨、还有碱金属们——选择安顿在体心立方结构里，简称 bcc：一个朴素的原子立方体，正中心多坐着一个原子。在 bcc 里，每个原子只和八个邻居相接触，球填满的是大约 68% 的空间，而不是 74%。它略松一些，被拥抱得略少一些——但对这些元素来说，它恰好是能量更低的那个选择。
structure stacking neighbours space filled --------- -------- ---------- ------------ fcc A-B-C-A-B-C 12 ~74% hcp A-B-A-B-A-B 12 ~74% bcc cube + centre atom 8 ~68% diamond open, 4 stiff bonds 4 ~34%
当键有了主见：钻石
当原子的行为像一个个没什么个性、只想挤作一团的球时，码橙子的图像运转得漂亮极了。但有些原子更挑剔。一个碳原子并不只是想尽可能多地接触邻居——它坚持要和恰好四个别的原子成键，还坚持要这四个朝外撑开成一种特定的姿势，就像三脚架的三只脚再加上你把它立起来的那条腿。当碳如愿以偿时，结果就是金刚石结构。
金刚石是一种格外*疏松*的结构——它的原子只填满了大约三分之一的空间，远少于那些密堆积的金属。每个碳只攀附着区区四个邻居，而不是十二个。按纯粹堆积的逻辑，这是一种糟糕、浪费的排布。然而金刚石却是已知最硬的天然材料。这个教训重要，又有点让人谦卑：致密并不等于坚固。让金刚石牢不可破的，不是它的原子被塞得有多紧，而是它的键有多坚硬、多有方向性。每个碳都被坚硬、挑剔、拒绝弯折的键锁在它的四个伙伴身上，而正是这套由固执的键搭起来的脚手架，而非密堆积，才是它坚硬的来源。
当两种原子共享一块晶体：盐
到目前为止，我们的晶体都是由单一元素构成的。可大多数有意思的材料并非如此。食盐是氯化钠——两种不同的原子，钠和氯——它们必须共享同一块晶体。在盐里，钠把一个电子让给了氯，于是两者各成了带电的离子：钠带正电，氯带负电。异号电荷相吸，同号电荷相斥，而这块晶体的任务，就是让每个正离子周围都是负离子，每个负离子周围都是正离子。把这件事做得最好的排布，就是岩盐结构：两套相互穿插的立方网格，每种离子各一套，像一张三维的棋盘那样彼此嵌合，棋盘上的两种颜色，就是这两种元素。
在岩盐里，每个离子都被六个异号离子围绕——配位数为六。这正是一个绝佳的例子，说明为什么前面那个“基元”的想法如此要紧。盐的晶格不过就是面心立方，和铜是同一张网格。但它的基元不是一个原子；而是一对，一个钠加一个氯。同样的网格，不同的内容，就是截然不同的材料。这显示出，区区一小撮晶格，配上不同的基元，就能生成整个矿物世界那铺天盖地的多样性。