世間萬物，生而為碳

出品：科普中國

製作：劉翠翠 中科院半導體所

監製：中國科學院計算機網路資訊中心

它，是一種很常見的物質，常見到我們經常忽略到它的存在。但它卻無處不在，與你我休慼相關。它,以炭的姿態最早和我們相見。它就是一種非金屬元素——碳！在元素週期表中，它是6號元素，位於第二週期IVA族。

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你對碳的印象是什麼？它，有時帶著一身滄桑的皴裂，漆黑一片；有時卻煥發光彩，帶著高傲的笑臉，陽光燦爛。環境保護者「談碳色變」，大力倡導「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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石墨及其分子結構

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來源：dreamstime.com 金剛石及其分子結構

這次，就讓我們一起重新認識它，帶給你一樣也不一樣的碳。

世間萬物，生而為碳

一道簡單的中學生物學選擇題：

C元素是組成生物體的最基本的元素，這是因為碳元素在生物體中。

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．構成有機物的基本骨架

毋庸置疑，答案就是D。

《高中生物（人教版必修1）》

在我們的中學課本上就曾學到過，組成生物細胞的元素分成兩種：大量元素：C、H、O、N、P、S、K、Ca、Mg等；微量元素：Zn、Mo、Cu、B、Fe、Mn。而分類的依據就是：含量佔生物總質量萬分之一以上還是以下。其實無論動物還是植物，目前已知的所有化學物質中的有機體，都因為以碳鏈作為基本骨架，而成為了一個群體——碳基生命。

碳，這個神奇的元素，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，改變了我們周圍的世界。

與我們生活息息相關的碳纖維與石墨烯

近年來，隨著科技的進步，以及人們對於加熱理療類產品的需求不斷增加。電加熱的護腰、護膝等產品應運而生，其中效能最優異的，就是使用碳纖維以及石墨烯複合材料作為加熱電阻原件。

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首先，碳纖維屬於導體，其發熱的原理同鋁線、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，再根據電阻的計算公式（電阻=電阻率*長度/橫截面積）就能得到碳纖維的電阻，進而可以知道碳纖維的發熱量。碳纖維的電阻率一般比金屬的要高很多，這導致碳纖維的電熱轉化效率比金屬發熱高約30%，並且其效率值接近100%。

而且，碳纖維發熱過程中輻射的波長處於遠紅外範圍，主要波長在8μm－15μm之間，與人體向外界輻射熱量產生的電磁波波段相同，因此體感更加舒適，對身體健康更有利，沒有刺激感（產生刺激感的近紅外加熱方式，可參考低質量的浴霸）。

而近年來，石墨烯技術不斷發展，石墨烯發熱產品也在市場上愈發流行。不過其本質還是電發熱，在發熱效率和熱輻射波段等方面都與碳纖維製品相似。相比之下，石墨烯的產品成本要高於碳纖維，但依然能在市場競爭中佔領一席之地，這是為什麼呢？

其實，石墨烯與碳纖維是同素異形體——都是由同種元素組成的，但卻是結構不同的兩種物質，它們都只含有一種組成元素——碳，但是因為它們的碳原子的排列方式不同，所以石墨烯和碳纖維的性質也不盡相同。

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

來源：百度百科「碳纖維腳踏車」

碳纖維不僅具有碳材料的固有本徵特性，又兼具紡織纖維的柔軟可加工性，是新一代增強纖維。它具有很好的耐超高溫性、耐疲勞性和耐腐蝕性，以及良好的導電導熱效能。但是，因為碳纖維是由片狀的石墨微晶不規則地堆砌而成，這種結構對於孔隙率的控制極為嚴格——其二維方向上的孔隙排列十分規則，大小統一。這種特性導致碳纖維的力學效能下降，尤其是徑向的韌性也很差，在彎折時很容易發生斷裂。所以，碳纖維在紡織品行業的應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，是一種只有一個原子層厚度的二維材料（或稱準二維材料，因為與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。

來源：快科技

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動速度達到了光速的1/300，遠遠超過了電子在一般導體中的運動速度。

這使得石墨烯中的電子，或更準確地應稱為「載荷子」(electricchargecarrier)的性質和盡對論性的中微子非常相似。所以，石墨烯還有可能在新型光學和光電子器件領域「大展拳腳」。同時，石墨烯的力學效能也非常好，相比於碳纖維，在石墨烯纖維軸向上，石墨烯片層結構高度取向，且橫向晶體的尺寸遠遠大於傳統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的狀態下不斷裂，這使得石墨烯纖維在高階紡織工業有著優於碳纖維的巨大的優勢。

讓我們「飽」「暖」的碳

「民以食為天」，中華上下五千年，又有誰能抗拒美食帶來的誘惑呢？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的饕餮。

來源：知乎「火鍋簡史」

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因為有木炭，最初的食物才能經歷高溫下的物理和化學蛻變，使食物分子的熱運動加劇，食物中蛋白質的次級鍵和二硫鍵斷裂，引起蛋白質空間結構的破壞，內部疏水集團暴露，便於被人體的胃蛋白酶，胰蛋白酶分解消化。同時，蛋白質和脂質在高溫反應時，產生了多種複雜的芳香烴，擴散到空氣中，香飄十里，引得大家食慾大振。碳，已經深深地抓住了人類的味蕾。

而人類從最初深藏地下的洞穴，到後來走到樹上的樹屋，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，很多地區仍舊保留建造木質結構建築的習慣。這種房子通風防潮與吸噪的效果與木質材料的管狀碳纖維機構有密切的關係。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實，還具有防震功能。國外科學家研究也表明，「木材表面所呈現的1/f波譜的形狀會給人自然舒適的心理感覺，讓人感到輕鬆。」

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交通領域也大展身手的碳

碳纖維作為新興材料，成為越來越多的中高階競賽用腳踏車的的首選材料，廣泛應用於車架（碳架）、前叉、輪組（碳刀車圈）等部件。藉助於碳纖維的特質，使用碳纖維製造的腳踏車更加輕便，耐磨性、耐腐蝕性等效能也更好，能夠幫助運動員在比賽中獲得更好的成績。

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除了頻繁現身於腳踏車，碳纖維還被應用在汽車、航空、航天、船舶、能源等高新產業。最近幾年，尤其是空客A380、B787等型號的大型客機上，碳纖維複合材料的應用總量已經達到了50%以上。當你乘坐飛機時，事實上，你是坐在一塊「碳」裡飛翔。

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其實碳元素不只是以木炭、鑽石、碳纖維、石墨烯的姿態出現在大家的視線中。再給大家介紹碳家族裡另一位巨星——C60，也被稱為「足球烯」、「富勒烯」等。C60具有金屬光澤，也有許多優異效能，如超導、強磁性、耐高壓、抗化學腐蝕等，在光、電、磁等領域的應用前景還不可估量。

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除此之外，碳其實和矽同是IVA族這一家族的兄弟，所以二者最外層電子數相同。大家都知道，最外層電子數相同的材料的很多效能都有相似。而矽作為第一代半導體材料，近年來又重新以矽基器件的形象進入大家的視線，並被寄予極大的厚望。在碳的眾多同素異構體中，有一些可以和矽基半導體器件很好地相容，這也使得碳材料展現出越來越重要的作用。

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其實，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！然而卻同樣精彩！像碳一樣，你我如今也許平凡無奇，未來，誰又能預料呢？

參考文獻：

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