距2029年5月19日北京工體（鳥巢）
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固態、液態和氣態，是物質最常見的三種狀態，很多物質也可以隨著溫度的變化，在不同狀態之間自由轉換，但是你見過液態的碳嗎？我想你不僅沒見過，基本上也沒聽過，那麼到底有沒有液態碳這種存在呢？今天我們就來介紹一下。
我們知道，碳有兩種最為著名的固態形式，一種是嗷嗷貴的金剛石，是戴在小姐姐手上的鑽戒，另一種則是嗷嗷便宜的石墨，五毛錢你就可以擁有一支以石墨為主要材料的鉛筆。在這兩種固態形式中，碳原子不同的連接方式，導致了鑽石與石墨的性質有著天壤之別。鑽石是最堅硬的天然物質，而石墨則十分柔軟，關於這一點各位老闆已經很熟悉了，我們也就不廢話了。
不過即便鑽石再堅硬，它也抵不住烈火的焚燒，事實上，不論是石墨還是鑽石，把它們在空氣中加熱，最終都會燃燒起來，並直接氣化成為二氧化碳。而如果將空氣隔絕起來對石墨或鑽石進行加熱，固態碳也不會像冰融化成水那樣發生液化，雖然沒有氧氣的參與形成不了二氧化碳，但實驗證明，它們同樣會直接氣化，變成碳原子游離在空間之中。妥了問題來了，常規的將固態變成液態的手段就是加熱，但加熱這一招在固態碳身上卻並不好用，那麼液態碳到底存不存在呢？如果存在，我們又該如何得到它？它又有著怎樣的性質呢？這個問題不僅你是一臉懵逼，也長時間困擾著各路專業的科學家們。
燃燒鑽石
不過雖然無法在現實中發現液態碳的身影，但科學家還有一件武器，這就是理論，通過理論計算科學家發現，液態碳是可以存在的，不過要想創造出液態碳，所需要的條件極為苛刻，一是5000℃的高溫，二是500個大氣壓，於是在理論的指導下，科學家就開始動手了。最為傳統的做法就是對碳電極施加高壓電，激發出強烈的電弧，藉助電弧在電極尖端所產生的瞬時高溫與高壓，促使電極上的碳發生液化。與此同時，這種實驗裝置也可以比較方便地測量出電路中電流的快速變化。
上世紀60年代到80年代，多個實驗室都通過這一實驗，發現了液態碳存在的證據，這就是在電弧產生的瞬間，電路中的電阻發生了明顯的下降，這就說明，液態碳不僅存在，而且這哥們應該是導體。但是奇怪的是，到了90年代，一系列實驗又得到了相反的結論，人們測量得到的電阻反而比之前大了10倍以上，這就說明液態碳應該是絕緣體。那麼這是為什麼呢？是因為90年代的某種事件所導致的時間流逝的變化？對此，科學家們也無法通過實驗得到進一步的結論，畢竟這些液態碳存在的時間過於短暫了。
好在雖然不能用實驗進行研究，但在90年代，計算機技術已經十分成熟，於是科學家便又從實驗室回到了紙面，開始在計算機上進行理論模型的模擬，結果計算機給出了一個非常有意思的預測，這就是電弧實驗所測得的導體和絕緣體，其實都是對的，也就是說，液態碳也像固態碳一樣，其存在形式不止一種。同時理論還預測，兩種液態碳一種密度較大，約為每毫升2.6克，一種密度較小，約為每毫升2克，密度較大的那種是導體，密度較小的那種是絕緣體。另外，密度較大的液態碳，碳原子的排布類似於鑽石的四面體結構，只不過要比鑽石鬆散許多，而密度較小的液態碳，每個碳原子只和另外兩個碳原子相連，就這樣彼此連接形成了長鏈，就像麵條一般。
反正說的那是有板有眼，那麼這到底是不是真實情況呢？要想得到答案，還是要靠實驗來加以驗證，而實驗技術的突破，就要等待歷史的進程了。進入21世紀之後，歷史進程終於到來了，藉助超快雷射技術，科學家可以得到持續時間僅為幾皮秒的雷射脈衝，脈衝的時間越短，相比之下，液態碳的存在時間就顯得越長，所以利用這種雷射脈衝所產生的瞬時的高溫高壓，科學家就可以更細緻地觀察到碳在液化的瞬間到底發生了什麼，同時也可以對液態碳展開更為細緻的研究，這個原理就和照相機的快門是類似的。除了超快雷射之外，另一種叫做「同步輻射光源」的大型光學設施，可以利用作高速圓周運動的電子束來產生光束，並得到普通雷射器做不到的皮秒級X光脈衝，顯而易見，這就更狠了，更有利於人們對液態碳展開觀察和研究。
同步輻射光源
最終在2005年，加州大學伯克利分校的科學家團隊，就使用這一方法，在實驗中觀察到了兩種液態碳存在的確鑿證據，同時這兩種液態碳，對X光的吸收有著微小的差異，讓人興奮的是，這種差異也正對應了前面說到的理論所預測的，在液態碳中碳原子之間兩種不同的連接方式。總之我們現在已經可以確定，液態碳確實存在，而且至少有兩種形式。
妥了老問題又來了，液態碳存在時間如此之短，連一秒鐘都貢獻不了，那麼這玩意兒到底有什麼用呢？簡單來說，兩個用處。一是找到製造新型碳材料的方法。我們知道，除了自然形成的金剛石與石墨之外，化學家在實驗室中，已經合成出了多種結構特殊的新型碳材料，比如說形狀像足球的碳-60也就是富勒烯，還有隻有一層石墨的石墨烯，以及捲曲成管狀的碳納米管。這些碳材料有著獨特的電學、化學和機械特性，應用前景十分廣泛。但是要想大規模生產這些碳材料，尤其是碳納米管，目前的技術還不成熟。有研究指出，碳從石墨重構為碳納米管的過程中，有可能會短暫地進入液態碳的狀態，所以在工業化生產中，精確地控制碳納米管形狀的工藝，很可能就要到液態碳的性質中去尋找。
富勒烯、石墨烯、碳納米管
第二個用途是發現外星世界的秘密。在地球上我們搞個液態碳那是費老勁了，但浩瀚的宇宙從來不缺少極端條件，近十幾年來的大規模系外行星探索行動，已經為我們揭示了一個豐富多彩的外星世界，其中有些系外行星的外層，可能幾乎完全由碳組成，而這種碳行星的內部，很可能就有著足夠高的壓力和溫度，允許液態碳的存在。天文學家推測，可以導電、可流動的高密度液態碳，正是這類碳行星磁場的重要成因，所以對液態碳性質的深入研究，可以幫助天文學家更好地理解這些神奇的外星世界。再見！