不一樣的元素故事：碳的四個世界

　　來源：Nature自然科研

　　在本文中，Simon H  Friedman展示了碳除了其在有機化學中優雅而尊貴的角色之外，還在哪些方面與我們的生活息息相關。

　　有機化學家眼中的碳，就像「紐約客」眼中的世界：曼哈頓的邊界即是天涯海角。在有機化學家們看來，碳構成藥物、殺蟲劑和染料的骨架，它美麗、可預見，而且標準。

　　這些奇妙的造物拯救生命、使作物增產、還能方便地給T恤衫印上時髦的標語。而這一切都是由歐幾里德和其他先賢所感悟、由鮑林所闡述的富有魅力的180°、120°和109.5°鍵角——來自 sp-、 sp2-和sp3-雜化的碳——所構成的。

　　碳所能構成的穩定結構的種類之多，在元素周期表中無可匹敵。在20世紀80年代，富勒烯的加入進一步擴充了本來就極為可觀的碳的同素異形體列表（其中包括了鑽石、石墨和無定形碳）。估測表明，碳有可能構成的小分子的種類，甚至要多於整個宇宙中所有原子的數量。這保證了在可預見的未來，有機化學家都不會失業。

　　然而，就像紐約哈德遜河以西也還有一整個世界一樣，除了有機物以外也同樣存在著好幾個碳的世界，而且它們對我們有著和有機物相當甚至更大的影響。雖然可能冒犯某些有機化學家的敏感神經，但為了讓本文不至於掛一漏萬，我必須對此進行詳細說明。

　　如果將有機化學稱為碳的第一個世界，那第二個世界便是鋼。沒有碳的鐵仍然足夠用來釘釘馬掌，但若是要造些耐用的大件就有些捉襟見肘。然而只要在鐵里加入百分之一上下的碳，就產生了鋼——有了鋼就能造不少有用的東西了，比如推土機、抑或是二百丈高的大樓。

　　碳的這一功能是通過結構特性生效的。純鐵形成的常規晶體是由最密堆積的鐵原子層所構成的，這些鐵原子層之間可以互相滑動，而層間的滑動會使純鐵在較輕的負載下就產生結構斷裂。

　　碳能夠協助解決這一問題，因為碳原子能嵌入鐵的晶格結構中的間隙位置。雖然碳的嵌入位置沒有規律可循，但間隙碳原子所導致的作用力已足以阻止鐵原子層間的滑動，因而提高了其強度，這就產生了堅韌的鋼。然而此處並沒有原子層面的美學在起作用；規律性或是動人的幾何美感並不存在於此。

　　實際上，連含碳的多少都可以上下浮動，並由此為鋼帶來硬度，延展性，抗拉強度等宏觀性質上的不同。 「宏觀性質」，看到這四個字，幾乎就可以看到有機化學家們開始瑟瑟發抖。

　　碳的第三個世界同樣也是宏觀性質的世界。這個世界一言以蔽之便是「塑料」。塑料，或者說高分子聚合物，完全改變了製造物品的方法。由碳構成的聚合物單體能夠輕鬆地互相連接，所構成的多種多樣的聚合物則具有可塑性、可降解性等等的廣泛性能。

　　在二十世紀上半葉需要數十道工序才能製成的物品，在下半葉可能只需要將聚合物對著模具一擠便能完成。不管在世界的哪個角落，擁有人工晶狀體或是開心樂園餐玩具的人們都為此而感到開心。

　　碳的第四個，也是最後一個世界則是能源。碳是驅動人類文明的主要能量來源：原油，煤炭，以及天然氣。燃燒著的碳資源驅動著活塞或是汽輪，同時產生了二氧化碳。二氧化碳是熱力學上的終點，因為這兩對碳氧雙鍵很強，並且在整個勢能面上，碳已經沒有可以輕鬆抵達的更低洼的地方了。

　　但對有機化學家而言，比起碳在它的各個世界裡所扮演的其他角色，單純地為了能量而燒掉碳，肯定就像是在寒冷時焚書取暖、或是在飢餓時吃掉來年的種糧一樣。這意味著相當程度的絕望，也是對碳所能創造的種種奇蹟的背叛。或許就在有機化學家們的精緻美學中，我們能找到關於碳之美的重要信息，並將之傳達給整個世界。

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