王鈺瑤 馮翠菊供稿
碳是自然界中十分常見的元素之一，它以多種形式廣泛分布於地球的大氣和地殼中。碳還是人體的重要組成元素，一個人身體裡的碳佔到體重的18%左右。比起一臺現代計算機或智慧機器人裡的矽含量，人體的含碳量明顯高得多了。因此比起「矽基生物」的戲稱，人類「碳基生物」的頭銜才真正當之無愧。
合成和分離不同維數的新型碳素異形體，一直是過去二三十年來的研究焦點。科學家們先後發現了三維富勒烯、一維碳納米管、二維石墨烯和石墨炔等新的碳同素異形體，這些新型材料均成為了國際學術研究的前沿和熱點，並與其開創研究者分享了科學界的頂級榮譽（諾貝爾獎）。
作為地球上有史以來最聰明的碳基生物，我們有必要了解一下碳族材料的各種面孔。多年來，這些碳族材料的一兩種已經影響了碳基生物的物質和精神生活，而另外的幾種或許還會為碳基生物的未來演化提供意想不到的驚喜。
No.1
6種「碳族材料」的神奇魅力
金剛石
金剛石的空間結構為4個碳原子組成的穩定正四面體交替連結而成，純淨的金剛石就是我們平常所說的鑽石。金剛石有各種顏色，從無色到黑色都有，所以說鑽石可以是透明的，也可以是半透明或不透明。許多金剛石帶些黃色，主要是因為這些金剛石含有雜質。
金剛石的折射率非常高，色散性能也很強，這是金剛石為什麼會反射出五彩繽紛光的原因。另外，金剛石也是自然界中最堅硬的物質，因此會有許多重要的工業用途：如精細研磨材料、高硬切割工具、各類鑽頭、拉絲模精密儀器的部件等。
金剛石原石（左）、鑽石（中）、常林鑽石（右）（圖源：pixabay）
美麗的東西必難求，就像傳說中的鑽石總是與毒蛇共生一樣。毒蛇真是上帝派來守護鑽石的嗎？當然不是，與蛇共舞其實靠的是金剛石的獨特魅力——特有的螢光現象。金剛石受X光或者紫外線的照射後會發光，特別是在黑暗的地方會發出藍、青、綠、黃等顏色的螢光，我國古時候把這種金剛石稱為「夜明珠」。
高山深谷中的金剛石，白天受到太陽紫外線照射後，夜裡會發出淡青色的螢光。這些螢光吸引了許多有趨光性的昆蟲，昆蟲又引來大量的青蛙，青蛙又招來許多毒蛇。環環相扣，這就是有鑽石的深谷中多毒蛇的原因。（與埃及豔后一樣，蛇在許多遠古的傳說中被視為鑽石的守護神，這其間的隱喻似乎同樣環環相扣。）
石墨
提起鑽石，人們就會聯想到光彩奪目、閃爍耀眼的情景，但因它的昂貴价格，大多數人只能望而卻步。儘管如此，人們對鑽石還是很嚮往的。天然的鑽石非常稀少，世界上重量大於1000克拉（1克=5克拉）的鑽石只有2粒，我國迄今為止現存最大的金剛石重158.786克拉，稱為「常林鑽石」。
物以稀為貴，正因為可用作「鑽石」的天然金剛石很罕見，人們就想「人造」金剛石來代替它，自然就想到了金剛石的「孿生」兄弟——石墨。石墨稱為金剛石的同素異形體，原子間構型為正六邊形的平面結構，呈片狀。
石墨（圖源：pixabay）
石墨可用作抗摩劑和潤滑材料，製作坩堝、電極、乾電池、鉛筆芯等，也常被稱為炭精或黑鉛，因為以前被誤認為是鉛。
石墨還可以在高溫、高壓下形成人造金剛石。人造金剛石也是貴重寶石，中國擁有製造金剛石的技術。但需要注意的是，石墨與金剛石物理性質有天壤之別，金剛石是目前最硬的物質，而石墨卻是最軟的物質之一。
富勒烯、碳納米管、石墨烯
科學家在1985年製備出了C60，又1989年實驗證實了C60的籠型結構，C60的結構和建築師Fuller的代表作相似，故被稱為富勒烯。任何由碳單種元素組成，以球狀、橢圓狀、或管狀結構存在的物質，都可以被叫做富勒烯。富勒烯與石墨結構類似，但石墨的結構中只有六元環，而富勒烯中存在五元環。
碳納米管是中空富勒烯管，這些碳管通常只有幾個納米寬，但是他們的長度可以達到1微米甚至1毫米。碳納米管通常是終端封閉，也有終端開口的。碳納米管獨特的分子結構導致它有奇特的宏觀性質：如高抗拉強度、高導電性、高延展性、高導熱性和化學惰性（因為呈圓筒狀或「平面狀」，沒有裸露原子能被輕易取代）。潛在應用是做紙電池， 也可能應用於太空電梯的高強度碳纜。
石墨烯就是石墨中的單層六元環結構，石墨烯一層層疊起來就是石墨，厚1毫米的石墨大約包含300萬層石墨烯，鉛筆在紙上輕輕划過，留下的痕跡就可能是幾層甚至僅僅一層石墨烯。
2004年，英國科學家將石墨薄片的兩面粘在一種特殊的膠帶上，撕開膠帶就能把石墨片一分為二。不斷地這樣操作直到薄片越來越薄，最終得到了僅由一層碳原子構成的薄片，這就是石墨烯。
富勒烯（左）、碳納米管（中）、石墨烯（右）（圖源：pixabay）
在發現石墨烯以前，大多數物理學家認為，熱力學漲落不允許任何二維晶體在有限溫度下存在。所以，單層二維石墨烯的發現立即震撼了學術界，被認為是一種未來革命性的材料。
石墨烯具有質量輕、高化學穩定性和高比表面積等優點，隨著批量化生產以及大尺寸等難題的逐步突破，石墨烯的產業化應用步伐正在加快，最先實現商業化應用的領域可能會是行動裝置、航空航天、新能源電池領域。
石墨炔（quē）
石墨炔的成功合成，使碳材料家族又誕生了一個新成員，開闢了人工化學合成新碳素異形體的先例。中國科學院李玉良院士團隊於2010年首次製備，受到了國內外的廣泛關注，歐盟、美、英也已將石墨炔等研究列入下一個框架計劃。
石墨炔（圖源：pixabay）
石墨炔是一種具有很大發展潛力和商業價值的新的碳同素異形體，它能夠呈現出已發現的碳材料難以出現的性質。近年來，石墨炔已經在鋰離子電池、催化劑、太陽能電池、電化學驅動器等方面開展了系列前沿性探索研究，取得了引人注目的研究成果。
石墨炔VS石墨烯（視頻源自：bilibili.com/Professor Meow）
No.2
新諾獎得主吉野彰與「碳族」材料
2019年10月，諾貝爾化學獎頒給了「鋰離子電池」。其實鋰離子電池獲得諾貝爾獎很正常，放眼望去，我們現代生活中只要涉及到儲能、充放電的領域，幾乎都有鋰離子電池的身影。吉野彰博士對鋰離子電池的核心貢獻，就是在鋰離子電池的負極中使用了一種可以容納鋰離子的碳材料——石油焦。
所謂石油焦就是一種高度芳構化的高分子碳化物，其碳網格片狀體之間的疊合比較整齊，經高溫煅燒極易石墨化，是現代石墨電極的主要原材料。鋰離子電池具有了當時其他電池無法比擬的機理優勢，它的充放電只需鋰離子在負極和正極之間的來回流動，並不依靠分解電極的化學反應。
（圖源：Nobelprize.org）
最終，吉野彰博士克服了Whittingham和Goodenough研製的鋰電池電壓低、電池不穩定、極易爆炸等缺陷，於1985年構建了首個商業上可行的鋰離子電池。在這裡，我們也預祝李院士製備的石墨炔，將來能夠在包括鋰離子電池在內的各個碳材料領域大顯身手。
參考資料：
李玉良，李勇軍《石墨炔 從發現到應用》，科學出版社.
www.Nobelprize.org
https://www.bilibili.com/video/av55689765
我就知道你「在看」