世间万物，生而为碳

科普中国-科普融合创作与传播 2019-05-27

　　出品：科普中国

　　制作：刘翠翠中科院半导体所

　　监制：中国科学院计算机网络信息中心

　　它，是一种很常见的物质，常见到我们经常忽略到它的存在。但它却无处不在，与你我休戚相关。它,以炭的姿态最早和我们相见。它就是一种非金属元素——碳！在元素周期表中，它是6号元素，位于第二周期IVA族。

　　来源：中国化学会

　　你对碳的印象是什么？它，有时带着一身沧桑的皴裂，漆黑一片；有时却焕发光彩，带着高傲的笑脸，阳光灿烂。环境保护者“谈碳色变”，大力倡导“低碳生活”；植物也在努力呼吸，将CO2幻化成O2，绿色地球家园。

　　来源：中国临床营养网

　　石墨及其分子结构

　　来源：齐家网

　　来源：dreamstime.com

　　金刚石及其分子结构

　　这次，就让我们一起重新认识它，带给你一样也不一样的碳。

　　世间万物，生而为碳

　　一道简单的中学生物学选择题：

　　C元素是组成生物体的最基本的元素，这是因为碳元素在生物体中[ ]。

　　A．所含的能量最多．最容易被吸收利用．所起的作用最大．构成有机物的基本骨架

　　毋庸置疑，答案就是D。

　　来源：《高中生物（人教版必修1）》

　　在我们的中学课本上就曾学到过，组成生物细胞的元素分成两种：大量元素：C、H、O、N、P、S、K、Ca、Mg等；微量元素：Zn、Mo、Cu、B、Fe、Mn。而分类的依据就是：含量占生物总质量万分之一以上还是以下。其实无论动物还是植物，目前已知的所有化学物质中的有机体，都因为以碳链作为基本骨架，而成为了一个群体——碳基生命。

　　 碳，这个神奇的元素，一部分融入我们的身体，成为我们存在的基石。还有一部分，以各种各样的形式展现，改变了我们周围的世界。

　　与我们生活息息相关的碳纤维与石墨烯

　　近年来，随着科技的进步，以及人们对于加热理疗类产品的需求不断增加。电加热的护腰、护膝等产品应运而生，其中性能最优异的，就是使用碳纤维以及石墨烯复合材料作为加热电阻原件。

　　来源：搜狐科技

　　首先，碳纤维属于导体，其发热的原理同铝线、铜线或电炉丝等一样，常温下，碳纤维的电阻率约为1.428 欧姆·米，再根据电阻的计算公式（电阻=电阻率*长度/横截面积）就能得到碳纤维的电阻，进而可以知道碳纤维的发热量。碳纤维的电阻率一般比金属的要高很多，这导致碳纤维的电热转化效率比金属发热高约30%，并且其效率值接近100%。

　　而且，碳纤维发热过程中辐射的波长处于远红外范围，主要波长在8μm－15μm之间，与人体向外界辐射热量产生的电磁波波段相同，因此体感更加舒适，对身体健康更有利，没有刺激感（产生刺激感的近红外加热方式，可参考低质量的浴霸）。

　　而近年来，石墨烯技术不断发展，石墨烯发热产品也在市场上愈发流行。不过其本质还是电发热，在发热效率和热辐射波段等方面都与碳纤维制品相似。相比之下，石墨烯的产品成本要高于碳纤维，但依然能在市场竞争中占领一席之地，这是为什么呢？

　　其实，石墨烯与碳纤维是同素异形体——都是由同种元素组成的，但却是结构不同的两种物质，它们都只含有一种组成元素——碳，但是因为它们的碳原子的排列方式不同，所以石墨烯和碳纤维的性质也不尽相同。

　　碳纤维（carbon fiber，简称CF），是一种含碳量在95%以上的高强度、高模量纤维的新型纤维材料；它是由片状石墨微晶等有机纤维沿纤维轴向方向堆砌而成，经碳化及石墨化处理而得到的微晶石墨材料。

　　来源：百度百科“碳纤维自行车”

　　来源：hi1718.com

　　碳纤维及其微观分子结构

　　碳纤维不仅具有碳材料的固有本征特性，又兼具纺织纤维的柔软可加工性，是新一代增强纤维。它具有很好的耐超高温性、耐疲劳性和耐腐蚀性，以及良好的导电导热性能。但是，因为碳纤维是由片状的石墨微晶不规则地堆砌而成，这种结构对于孔隙率的控制极为严格——其二维方向上的孔隙排列十分规则，大小统一。这种特性导致碳纤维的力学性能下降，尤其是径向的韧性也很差，在弯折时很容易发生断裂。所以，碳纤维在纺织品行业的应用受到了很大的限制。

　　石墨烯（Graphene）是一种由碳原子以sp2杂化方式形成的蜂窝状平面薄膜，是一种只有一个原子层厚度的二维材料（或称准二维材料，因为与石墨烯二维材料的面积相比，石墨烯单原子层的厚度可以忽略），所以又叫做单原子层石墨。

　　来源：快科技

　　左：石墨烯；右：石墨

　　石墨烯是一种二维晶体，最大的特性是其电子的运动速度达到了光速的1/300，远远超过了电子在一般导体中的运动速度。

　　这使得石墨烯中的电子，或更准确地应称为“载荷子”(electricchargecarrier)的性质和尽对论性的中微子非常相似。所以，石墨烯还有可能在新型光学和光电子器件领域“大展拳脚”。同时，石墨烯的力学性能也非常好，相比于碳纤维，在石墨烯纤维轴向上，石墨烯片层结构高度取向，且横向晶体的尺寸远远大于传统碳纤维的横向晶体尺寸，使其具有很好的柔韧性，甚至可以在扭曲打结的状态下不断裂，这使得石墨烯纤维在高端纺织工业有着优于碳纤维的巨大的优势。

　　让我们“饱”“暖”的碳

　　“民以食为天”，中华上下五千年，又有谁能抗拒美食带来的诱惑呢？冬日，白雪纷纷，一家人围坐的一餐火锅；夏夜，夜凉如水，呼朋唤友的一桌烧烤，这都是木炭给我们带来的饕餮。

　　来源：知乎“火锅简史”

　　来源：photophoto.cn

　　因为有木炭，最初的食物才能经历高温下的物理和化学蜕变，使食物分子的热运动加剧，食物中蛋白质的次级键和二硫键断裂，引起蛋白质空间结构的破坏，内部疏水集团暴露，便于被人体的胃蛋白酶，胰蛋白酶分解消化。同时，蛋白质和脂质在高温反应时，产生了多种复杂的芳香烃，扩散到空气中，香飘十里，引得大家食欲大振。碳，已经深深地抓住了人类的味蕾。

　　而人类从最初深藏地下的洞穴，到后来走到树上的树屋，也用到的大多都是木头。也许“住”就是早期碳与人类接触手段之一吧。而今，很多地区仍旧保留建造木质结构建筑的习惯。这种房子通风防潮与吸噪的效果与木质材料的管状碳纤维机构有密切的关系。木料的密度在450~675kg/m^3，是混凝土的1/3～1/6；木料具有一定的弹性模量，所以木屋不仅轻巧结实，还具有防震功能。国外科学家研究也表明，“木材表面所呈现的1/f波谱的形状会给人自然舒适的心理感觉，让人感到轻松。”

　　来源：b2b.hc360.com

　　交通领域也大展身手的碳

　　碳纤维作为新兴材料，成为越来越多的中高端竞赛用自行车的的首选材料，广泛应用于车架（碳架）、前叉、轮组（碳刀车圈）等部件。借助于碳纤维的特质，使用碳纤维制造的自行车更加轻便，耐磨性、耐腐蚀性等性能也更好，能够帮助运动员在比赛中获得更好的成绩。

　　来源：yiihuu.com

　　除了频繁现身于自行车，碳纤维还被应用在汽车、航空、航天、船舶、能源等高新产业。最近几年，尤其是空客A380、B787等型号的大型客机上，碳纤维复合材料的应用总量已经达到了50%以上。当你乘坐飞机时，事实上，你是坐在一块“碳”里飞翔。

　　来源：快科技

　　其实碳元素不只是以木炭、钻石、碳纤维、石墨烯的姿态出现在大家的视线中。再给大家介绍碳家族里另一位巨星——C60，也被称为“足球烯”、“富勒烯”等。C60具有金属光泽，也有许多优异性能，如超导、强磁性、耐高压、抗化学腐蚀等，在光、电、磁等领域的应用前景还不可估量。

　　来源：xianjichina.com

　　除此之外，碳其实和硅同是IVA族这一家族的兄弟，所以二者最外层电子数相同。大家都知道，最外层电子数相同的材料的很多性能都有相似。而硅作为第一代半导体材料，近年来又重新以硅基器件的形象进入大家的视线，并被寄予极大的厚望。在碳的众多同素异构体中，有一些可以和硅基半导体器件很好地兼容，这也使得碳材料展现出越来越重要的作用。