[科普中國(guó)]-世間萬(wàn)物，生而為碳

它，是一種很常見的物質(zhì)，常見到我們經(jīng)常忽略到它的存在。但它卻無(wú)處不在，與你我休戚相關(guān)。它,以炭的姿態(tài)最早和我們相見。它就是一種非金屬元素——碳！在元素周期表中，它是6號(hào)元素，位于第二周期IVA族。

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你對(duì)碳的印象是什么？它，有時(shí)帶著一身滄桑的皴裂，漆黑一片；有時(shí)卻煥發(fā)光彩，帶著高傲的笑臉，陽(yáng)光燦爛**。**環(huán)境保護(hù)者“談碳色變”，大力倡導(dǎo)“低碳生活”；植物也在努力呼吸，將CO2幻化成O2，綠色地球家園。

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石墨及其分子結(jié)構(gòu)

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金剛石及其分子結(jié)構(gòu)

這次，就讓我們一起重新認(rèn)識(shí)它，帶給你一樣也不一樣的碳。

世間萬(wàn)物，生而為碳

一道簡(jiǎn)單的中學(xué)生物學(xué)選擇題：

C元素是組成生物體的最基本的元素，這是因?yàn)樘荚卦谏矬w中[ ]。

A．所含的能量最多

B．最容易被吸收利用

C．所起的作用最大

D．構(gòu)成有機(jī)物的基本骨架

毋庸置疑，答案就是D。

來(lái)源：《高中生物（人教版必修1）》

在我們的中學(xué)課本上就曾學(xué)到過(guò)，組成生物細(xì)胞的元素分成兩種：大量元素：C、H、O、N、P、S、K、Ca、Mg等；微量元素：Zn、Mo、Cu、B、Fe、Mn。而分類的依據(jù)就是：含量占生物總質(zhì)量萬(wàn)分之一以上還是以下。其實(shí)無(wú)論動(dòng)物還是植物，目前已知的所有化學(xué)物質(zhì)中的有機(jī)體，都因?yàn)橐蕴兼溩鳛榛竟羌?，而成為了一個(gè)群體——碳基生命。

碳，這個(gè)神奇的元素，一部分融入我們的身體，成為我們存在的基石。還有一部分，以各種各樣的形式展現(xiàn)，改變了我們周圍的世界。

與我們生活息息相關(guān)的碳纖維與石墨烯

近年來(lái)，隨著科技的進(jìn)步，以及人們對(duì)于加熱理療類產(chǎn)品的需求不斷增加。電加熱的護(hù)腰、護(hù)膝等產(chǎn)品應(yīng)運(yùn)而生，其中性能最優(yōu)異的，就是使用碳纖維以及石墨烯復(fù)合材料作為加熱電阻原件。

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首先，碳纖維屬于導(dǎo)體，其發(fā)熱的原理同鋁線、銅線或電爐絲等一樣，常溫下，碳纖維的電阻率約為1.428 歐姆·米，再根據(jù)電阻的計(jì)算公式（電阻=電阻率*長(zhǎng)度/橫截面積）就能得到碳纖維的電阻，進(jìn)而可以知道碳纖維的發(fā)熱量。碳纖維的電阻率一般比金屬的要高很多，這導(dǎo)致碳纖維的電熱轉(zhuǎn)化效率比金屬發(fā)熱高約30%，并且其效率值接近100%。

而且，碳纖維發(fā)熱過(guò)程中輻射的波長(zhǎng)處于遠(yuǎn)紅外范圍，主要波長(zhǎng)在8μm－15μm之間，與人體向外界輻射熱量產(chǎn)生的電磁波波段相同，因此體感更加舒適，對(duì)身體健康更有利，沒有刺激感（產(chǎn)生刺激感的近紅外加熱方式，可參考低質(zhì)量的浴霸）。

而近年來(lái)，石墨烯技術(shù)不斷發(fā)展，石墨烯發(fā)熱產(chǎn)品也在市場(chǎng)上愈發(fā)流行。不過(guò)其本質(zhì)還是電發(fā)熱，在發(fā)熱效率和熱輻射波段等方面都與碳纖維制品相似。相比之下，石墨烯的產(chǎn)品成本要高于碳纖維，但依然能在市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)中占領(lǐng)一席之地，這是為什么呢？

其實(shí)，石墨烯與碳纖維是同素異形體——都是由同種元素組成的，但卻是結(jié)構(gòu)不同的兩種物質(zhì)，它們都只含有一種組成元素——碳，但是因?yàn)樗鼈兊奶荚拥呐帕蟹绞讲煌?，所以石墨烯和碳纖維的性質(zhì)也不盡相同。

碳纖維（carbon fiber，簡(jiǎn)稱CF），是一種含碳量在95%以上的高強(qiáng)度、高模量纖維的新型纖維材料；它是由片狀石墨微晶等有機(jī)纖維沿纖維軸向方向堆砌而成，經(jīng)碳化及石墨化處理而得到的微晶石墨材料。

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碳纖維及其微觀分子結(jié)構(gòu)

碳纖維不僅具有碳材料的固有本征特性，又兼具紡織纖維的柔軟可加工性，是新一代增強(qiáng)纖維。它具有很好的耐超高溫性、耐疲勞性和耐腐蝕性，以及良好的導(dǎo)電導(dǎo)熱性能。但是，因?yàn)樘祭w維是由片狀的石墨微晶不規(guī)則地堆砌而成，這種結(jié)構(gòu)對(duì)于孔隙率的控制極為嚴(yán)格——其二維方向上的孔隙排列十分規(guī)則，大小統(tǒng)一。這種特性導(dǎo)致碳纖維的力學(xué)性能下降，尤其是徑向的韌性也很差，在彎折時(shí)很容易發(fā)生斷裂。所以，碳纖維在紡織品行業(yè)的應(yīng)用受到了很大的限制。

石墨烯（Graphene）是一種由碳原子以sp2雜化方式形成的蜂窩狀平面薄膜，是一種只有一個(gè)原子層厚度的二維材料（或稱準(zhǔn)二維材料，因?yàn)榕c石墨烯二維材料的面積相比，石墨烯單原子層的厚度可以忽略），所以又叫做單原子層石墨。

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左：石墨烯；右：石墨

石墨烯是一種二維晶體，最大的特性是其電子的運(yùn)動(dòng)速度達(dá)到了光速的1/300，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)了電子在一般導(dǎo)體中的運(yùn)動(dòng)速度。

這使得石墨烯中的電子，或更準(zhǔn)確地應(yīng)稱為**“載荷子”**(electricchargecarrier)的性質(zhì)和盡對(duì)論性的中微子非常相似。所以，石墨烯還有可能在新型光學(xué)和光電子器件領(lǐng)域“大展拳腳”。同時(shí)，石墨烯的力學(xué)性能也非常好，相比于碳纖維，在石墨烯纖維軸向上，石墨烯片層結(jié)構(gòu)高度取向，且橫向晶體的尺寸遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于傳統(tǒng)碳纖維的橫向晶體尺寸，使其具有很好的柔韌性，甚至可以在扭曲打結(jié)的狀態(tài)下不斷裂，這使得石墨烯纖維在高端紡織工業(yè)有著優(yōu)于碳纖維的巨大的優(yōu)勢(shì)。

讓我們“飽”“暖”的碳

“民以食為天”，中華上下五千年，又有誰(shuí)能抗拒美食帶來(lái)的誘惑呢？冬日，白雪紛紛，一家人圍坐的一餐火鍋；夏夜，夜涼如水，呼朋喚友的一桌燒烤，這都是木炭給我們帶來(lái)的饕餮。

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因?yàn)橛心咎浚畛醯氖澄锊拍芙?jīng)歷高溫下的物理和化學(xué)蛻變，使食物分子的熱運(yùn)動(dòng)加劇，食物中蛋白質(zhì)的次級(jí)鍵和二硫鍵斷裂，引起蛋白質(zhì)空間結(jié)構(gòu)的破壞，內(nèi)部疏水集團(tuán)暴露，便于被人體的胃蛋白酶，胰蛋白酶分解消化。同時(shí)，蛋白質(zhì)和脂質(zhì)在高溫反應(yīng)時(shí)，產(chǎn)生了多種復(fù)雜的芳香烴，擴(kuò)散到空氣中，香飄十里，引得大家食欲大振。碳，已經(jīng)深深地抓住了人類的味蕾。

而人類從最初深藏地下的洞穴，到后來(lái)走到樹上的樹屋，也用到的大多都是木頭。也許“住”就是早期碳與人類接觸手段之一吧。而今，很多地區(qū)仍舊保留建造木質(zhì)結(jié)構(gòu)建筑的習(xí)慣。這種房子通風(fēng)防潮與吸噪的效果與木質(zhì)材料的管狀碳纖維機(jī)構(gòu)有密切的關(guān)系。木料的密度在450~675kg/m^3，是混凝土的1/3～1/6；木料具有一定的彈性模量，所以木屋不僅輕巧結(jié)實(shí)，還具有防震功能。國(guó)外科學(xué)家研究也表明，“木材表面所呈現(xiàn)的1/f波譜的形狀會(huì)給人自然舒適的心理感覺，讓人感到輕松?！?/p>

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交通領(lǐng)域也大展身手的碳

碳纖維作為新興材料，成為越來(lái)越多的中高端競(jìng)賽用自行車的的首選材料，廣泛應(yīng)用于車架（碳架）、前叉、輪組（碳刀車圈）等部件。借助于碳纖維的特質(zhì)，使用碳纖維制造的自行車更加輕便，耐磨性、耐腐蝕性等性能也更好，能夠幫助運(yùn)動(dòng)員在比賽中獲得更好的成績(jī)。

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除了頻繁現(xiàn)身于自行車，碳纖維還被應(yīng)用在汽車、航空、航天、船舶、能源等高新產(chǎn)業(yè)。最近幾年，尤其是空客A380、B787等型號(hào)的大型客機(jī)上，碳纖維復(fù)合材料的應(yīng)用總量已經(jīng)達(dá)到了50%以上。當(dāng)你乘坐飛機(jī)時(shí)，事實(shí)上，你是坐在一塊“碳”里飛翔。

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其實(shí)碳元素不只是以木炭、鉆石、碳纖維、石墨烯的姿態(tài)出現(xiàn)在大家的視線中。再給大家介紹碳家族里另一位巨星——C60，也被稱為“足球烯”、“富勒烯”等。C60具有金屬光澤，也有許多優(yōu)異性能，如超導(dǎo)、強(qiáng)磁性、耐高壓、抗化學(xué)腐蝕等，在光、電、磁等領(lǐng)域的應(yīng)用前景還不可估量。

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除此之外，碳其實(shí)和硅同是IVA族這一家族的兄弟，所以二者最外層電子數(shù)相同。大家都知道，最外層電子數(shù)相同的材料的很多性能都有相似。而硅作為第一代半導(dǎo)體材料，近年來(lái)又重新以硅基器件的形象進(jìn)入大家的視線，并被寄予極大的厚望。在碳的眾多同素異構(gòu)體中，有一些可以和硅基半導(dǎo)體器件很好地兼容，這也使得碳材料展現(xiàn)出越來(lái)越重要的作用。

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其實(shí)，碳的家族還很大很大，但是它們生而為碳，卻活出了不同的姿態(tài)**！然而卻同樣精彩！**像碳一樣，你我如今也許平凡無(wú)奇，未來(lái)，誰(shuí)又能預(yù)料呢？

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