人類是碳基生命，我們已知的所有生命形式也都是碳基生命，從這個(gè)名稱中，我們就能體會(huì)到碳對(duì)數(shù)十億年的生命史所具有的重要意義。而在當(dāng)今這個(gè)時(shí)代里，從由二氧化碳排放引起的溫室效應(yīng)到碳達(dá)峰和碳中和，有關(guān)碳的話題也經(jīng)常會(huì)吸引人們的廣泛關(guān)注。其實(shí)，即便我們不去考慮生命演化和環(huán)境變化這樣宏大的主題，碳也與我們的生活息息相關(guān)。

在兩位知名天文學(xué)家西奧多·P.斯諾和康·布朗利合作完成的《第六號(hào)元素》一書中，我們能在他們的筆下體驗(yàn)一場(chǎng)從宇宙誕生到地球演化、從生命起源到人類文明的非凡旅程，見證碳這種元素如何真正塑造了我們的世界。而在下面這段文字中，我們就能看到，從鋼鐵到水泥，從塑料到膠帶，碳的身影在我們的日常生活中也是無(wú)處不在。

鋼鐵

碳的一個(gè)不可忽視的用途是制造鋼鐵。鋼鐵生產(chǎn)始于大約4000年前的鐵器時(shí)代初期。早在還沒有任何科學(xué)方法被用來(lái)擴(kuò)展技術(shù)之前，工匠們就已經(jīng)開始生產(chǎn)鋼鐵了。關(guān)于如何利用金屬材料來(lái)制造最好的最終產(chǎn)品，有大量的神話和民間傳說(shuō)。它們表明，用鋼鐵來(lái)制造劍、刀和堅(jiān)固工具的技術(shù)隨著時(shí)間的推移而進(jìn)步。

鋼是一種金屬鐵的合金，其中摻有少量的碳和其他元素。這些摻雜可以顯著提高合金的強(qiáng)度和物理性能。鐵作為元素周期表中的第26號(hào)元素，是一種用途極為廣泛的材料。它被用在建筑、橋梁、鐵軌、船舶、螺栓中，以及用于制造那些必須堅(jiān)固耐用，有時(shí)甚至非常鋒利的東西。從鐵礦石（氧化鐵）中提取金屬鐵需要消耗大量的能量，這些能量通常是通過(guò)燃燒化石燃料獲得的，而且冶煉鐵的過(guò)程需要碳與鐵礦石發(fā)生化學(xué)反應(yīng)。從鐵礦石分子中提取單個(gè)鐵原子，需要不止一個(gè)碳原子參與這種化學(xué)反應(yīng)：鐵礦石中原本與鐵結(jié)合的氧與碳反應(yīng)生成一氧化碳或二氧化碳?xì)怏w，這些氣體逃逸后便留下金屬鐵。最初的鐵是用木炭冶煉的，但工業(yè)生產(chǎn)優(yōu)質(zhì)鐵需要通過(guò)燃燒煤炭獲得的高溫和能量輸出。通常，這是通過(guò)使用熱處理后的煤來(lái)實(shí)現(xiàn)的，這些煤被轉(zhuǎn)化為一種更純凈形式的碳——焦炭。世界各地發(fā)現(xiàn)的大量煤炭推動(dòng)了鋼鐵在工業(yè)革命中的驚人使用。

在我們從洞穴生活上升到現(xiàn)代世界的過(guò)程中，鋼的強(qiáng)度、耐用性和成形性發(fā)揮了關(guān)鍵作用。要把金屬鐵變成鋼，你需要添加適量的碳。要煉成鋼，需要在鐵中加入0.2%~2%的碳。如果鐵中的碳含量較少（小于0.2%），這種鐵就叫熟鐵，如今用于裝飾，如用于圍欄、標(biāo)志和燈柱。如果鐵中的碳含量在2%~4%，它就會(huì)變成鑄鐵，雖然很脆，但具有許多有價(jià)值的特性，可以鑄造成模具。自從2000 多年前在中國(guó)發(fā)明以來(lái)，鑄鐵就被廣泛使用。

▲鋼鐵材料

水泥

世界上大部分近地表的碳并不是包含在化石燃料、大氣或生物體中，而是被鎖在碳酸鹽中。這類巖石對(duì)我們來(lái)說(shuō)非常重要，因?yàn)樗挥脕?lái)制造水泥。自羅馬時(shí)代以來(lái)，水泥就是一種寶貴的建筑材料。如果將石灰石（碳酸鈣）加熱到1400 攝氏度以上，那么此時(shí)碳已被排出，主要留下的是白色的石灰（氧化鈣）。石灰與其他材料混合形成水泥。水泥與沙子、巖石和水混合后，形成混凝土，這就是現(xiàn)代世界的基礎(chǔ)。在未來(lái)10年內(nèi)，人類制造的混凝土的累積質(zhì)量將超過(guò)我們星球上的生物量。如果沒有鋼筋加固的混凝土，我們的世界將完全不同?；炷梁丸F，雖然在很大程度上被人們熟視無(wú)睹，卻是使現(xiàn)代生活成為可能的神奇材料。它們結(jié)合在一起是因?yàn)榛炷亮汉椭膬?nèi)部必須有鋼筋，才能提供現(xiàn)代建筑所需的抵抗地震應(yīng)力的強(qiáng)度。生產(chǎn)水泥帶來(lái)的二氧化碳排放約占世界總排放量的5%。大約有1/2的溫室氣體來(lái)自燃燒用于加熱石灰石的化石燃料，另外1/2來(lái)自碳酸鈣向氧化鈣的化學(xué)轉(zhuǎn)化。除此之外，還需要額外的能量來(lái)混合這些重型材料并將其運(yùn)輸?shù)桨惭b現(xiàn)場(chǎng)。

▲水泥鋪成的路面

塑料

塑料有很多不同的形式，從易碎的（如塑料刀叉）到非常柔軟的（如橡皮筋）?！八芰稀笔侵副姸嗷谔?xì)浠衔锏摹⒉煌问降摹⒖裳诱够驁?jiān)硬的材料。這些材料的硬度取決于聚合物之間的分子鍵，所謂聚合物就是指那些重復(fù)結(jié)構(gòu)組成的鏈。有些塑料能在溫度變化下保持不變，而另一些（熱塑性塑料）則可以隨著溫度的改變而改變形狀，并被加工成不同的形狀。

纖維素是一種天然的碳基物質(zhì)，是纖維素塑料的基礎(chǔ)。1838年，法國(guó)化學(xué)家安塞姆·佩恩首次從植物 中分離出纖維素。纖維素是一種堅(jiān)硬且難以消化的物質(zhì)，被用于造紙和制衣，高纖維飲食中當(dāng)然更是富含纖維素。

冶金學(xué)家亞歷山大·帕克斯于1856年創(chuàng)造了第一種人造塑料，用作象牙的替代品，特別是臺(tái)球中的象牙制品。這 種物質(zhì)最初被命名為“Parkesine”，于1862 年在倫敦國(guó)際博覽會(huì)上展出。但這個(gè)名稱沒用多久就廢棄了。

1907年，萊奧·貝克蘭發(fā)明了一種合成塑料并獲得了專利，他將自己的發(fā)明命名為“Bakelite”（貝克萊特酚醛樹脂，俗稱“膠木”）?，F(xiàn)在，這種材料已不怎么廣泛使用了，但在20世紀(jì)，這種甲醛樹脂塑料曾得到廣泛使用，例如被用作電絕緣體、真空管插座和無(wú)軌電車上的電線絕緣座等。含有真空管的舊電子產(chǎn)品總有一股“電氣味”，通常就是由于膠木的存在。如果你把頭伸進(jìn)一架第二次世界大戰(zhàn)時(shí)期的老式轟炸機(jī)的駕駛艙，雖然經(jīng)過(guò)半個(gè)世紀(jì)的風(fēng)干，但你仍然可以從它的膠木中聞到明顯的甲醛味。所有的真空電子管通電后，燈絲發(fā)光發(fā)熱，被烤熱的膠木就會(huì)散發(fā)出強(qiáng)烈的“熱的電子器件”的特征氣味，這是一個(gè)過(guò)去時(shí)代的氣味。

▲膠水的分子結(jié)構(gòu)

塑料有許多用途都是眾所周知的，列一份清單的話可能長(zhǎng)達(dá)數(shù)頁(yè)。幾乎每個(gè)人都使用食品袋、水杯和拉鏈（以及拉鏈袋）。想想玩具行業(yè)吧！如果沒有塑料，你的童年將大不相同，也就不會(huì)有一次性尿布、吸管杯或奶嘴?，F(xiàn)在，你到處都能看到塑料制品——衣服、電視、盤子和眼鏡、杯子、房屋外墻、汽車保險(xiǎn)杠、碳纖維飛機(jī)等。

塑料使電影成為可能。為數(shù)十億人帶來(lái)音樂(lè)和圖像的唱片、錄音帶、錄像帶、CD（緊湊型光盤）和DVD（多用途數(shù)字光盤）等也是用塑料制成的。許多用于音樂(lè)、電影、軟件和數(shù)據(jù)備份的存儲(chǔ)介質(zhì)都曾是磁盤形式的。隨著我們?cè)絹?lái)越深入數(shù)字時(shí)代，信息被存儲(chǔ)在云端，或者至少存儲(chǔ)在服務(wù)器上，早先那些塑料磁盤注定會(huì)被丟棄和遺忘，就像人們丟棄之前的IBM打孔卡一樣。

▲塑料制成的唱片

但是，像琥珀這樣由樹液形成的塑料，是數(shù)百萬(wàn)年前在地球上自然形成的。塑料也可能出現(xiàn)在其他天體上。NASA就曾宣布在土星的巨型衛(wèi)星土衛(wèi)六的大氣層中發(fā)現(xiàn)了丙烯。聚合的丙烯被稱為聚丙烯，是一種廣泛制造的塑料，用于制作容器（可以通過(guò)器物底部的回收代碼“5”來(lái)識(shí)別）。

膠帶

如果沒有這樣或那樣的膠帶，我們的生活將比現(xiàn)在混亂。最初的膠帶是由布或紙做的，但今天的許多膠帶都是由塑料制成的。膠帶的發(fā)明發(fā)生在古代，早在它被用來(lái)包裹木乃伊之前就有了，但其發(fā)展過(guò)程中的重大進(jìn)展則發(fā)生在20世紀(jì) 20年代。這要?dú)w功于3M公司，它是一家生產(chǎn)砂紙的公司。這種新膠帶被用在給汽車噴漆的過(guò)程中，以防止不同顏色的油漆混合在一起，它被稱為遮蔽膠帶。后來(lái)，在第二次世界大戰(zhàn)期間出現(xiàn)了“鴨子膠帶”（Duck tape，防水膠帶），因?yàn)樗軌蛳聒喿右粯臃炙?duì)于它的發(fā)明，似乎有兩方都聲稱擁有發(fā)明權(quán)。第一個(gè)是3M公司的工程師理查德·德魯，第二個(gè)是第二次世界大戰(zhàn)期間強(qiáng)生公司的子公司，該公司用它來(lái)防止?jié)駳膺M(jìn)入彈藥箱。這兩項(xiàng)發(fā)明似乎是相互獨(dú)立地做出的。后來(lái)，“強(qiáng)力膠帶”（duct tape，管道膠帶）一詞被用于推廣，這種膠帶是密封通風(fēng)管道接頭的一種手段。強(qiáng)力膠帶經(jīng)過(guò)特殊處理后具有更好的性能，如耐熱性。

透明膠帶也稱為蘇格蘭膠帶，是由前述的理查德·德魯于1930年發(fā)明的。這種玻璃紙膠帶可以透光，用在任何類型的撕破的紙上都非常方便，從書頁(yè)到美元紙幣。隨后，生產(chǎn)便利貼的公司推出了一種膠帶，它可以粘在任何東西上，但又可以很容易地取下。

任何類型的膠帶都含有碳。即便是金屬膠帶，也需要一種聚合物（由重復(fù)的分子單元構(gòu)成的長(zhǎng)鏈）作為黏合劑。聚合物由碳原子骨架構(gòu)成，通過(guò)共價(jià)鍵連接在一起。特氟龍（現(xiàn)代炊具的制作材料之一）就是由碳基分子構(gòu)成的。特氟龍是一種具有眾多獨(dú)特性能的塑料，其歷史比大多數(shù)人知道的都要長(zhǎng)，其學(xué)名叫聚四氟乙烯（PTFE）。像許多化工產(chǎn)品一樣，特氟龍也是偶然被發(fā)現(xiàn)的。1938年，一家名為動(dòng)力化學(xué)品的公司（后來(lái)并入杜邦公司）的化學(xué)家羅伊·普倫基特用化學(xué)冷卻劑做實(shí)驗(yàn)時(shí)，偶然發(fā)現(xiàn)了聚四氟乙烯這種物質(zhì)。1945年，他以特氟龍這個(gè)名字命名了這種材料。與此同時(shí)，普倫基特重新開始研究冷卻劑，如氟利昂和汽油添加劑，以及其他含碳化合物冷卻劑。1973年，普倫基特入選塑料名人堂。

▲膠帶

與普通塑料具有光滑表面的特性相反，有一種塑料具有非常高的黏性，那就是Velcro（商標(biāo)名，俗稱維可牢尼龍搭扣或魔術(shù)貼），它是由尼龍纖維制成的，也是碳基的。它的發(fā)明年代也比大多數(shù)人認(rèn)為的要早：1941年。那一年，瑞士發(fā)明家喬治·德梅斯特拉爾注意到，他家狗的毛上粘有帶毛刺的東西。他覺得這個(gè)東西很有用。魔術(shù)貼有兩面，一面帶鉤子，另一面是鎖扣。當(dāng)雙方相遇時(shí)，鉤子嵌入鎖扣的“海洋”中，因此很難將兩個(gè)表面撕開。與粘在狗毛上的毛刺相比，合成纖維具有很大的優(yōu)勢(shì)，因?yàn)樗鼈兛梢苑磸?fù)使用。

我們都知道這種魔術(shù)貼，因?yàn)樗鼰o(wú)處不在。事實(shí)證明，它的許多用途都非常重要，比如帳篷、皮帶、鞋子、背包、公文包、地板上的地毯、墻面上的窗簾附件、尿布等。NASA將魔術(shù)貼用在任何地方：在失重狀態(tài)下，物體往往會(huì)飄浮，而魔術(shù)貼是一種簡(jiǎn)單的應(yīng)對(duì)方法。也許你能用魔術(shù)貼上玩的最有趣的事是“魔術(shù)貼跳躍”。如果你穿上一件一面帶有魔術(shù)貼的夾克，那么當(dāng)你向覆蓋著魔術(shù)貼另一面的墻跳過(guò)去時(shí)，你就會(huì)粘在墻上。

（本文摘編自《第六號(hào)元素》第6章“碳有什么用處？”，標(biāo)題為編者所加）

書名：第六號(hào)元素

?♂? 作者：[美]西奧多·P.斯諾 [美]唐·布朗利著 翻譯：王文浩

內(nèi)容簡(jiǎn)介

元素周期表中的第六號(hào)元素是什么？

氫氦鋰鈹硼……是碳。

沒錯(cuò)，提到碳，你會(huì)先想到什么？

是煤炭、石油這些現(xiàn)代人類社會(huì)賴以維系的能量來(lái)源——化石燃料，還是碳納米管、富勒烯這些經(jīng)常出現(xiàn)在科技新聞里的新詞？又或者，你可能會(huì)首先想到碳中和、碳排放、碳捕集、碳封存、溫室效應(yīng)？

碳無(wú)處不在。它是地球生命的基石，更為人類社會(huì)奠定了基礎(chǔ)。從過(guò)去到現(xiàn)在，再到遙遠(yuǎn)的未來(lái)，各種形式的碳對(duì)地球、生命、人類有著無(wú)可匹敵的深遠(yuǎn)影響。

不過(guò)，你可能沒有意識(shí)到這一點(diǎn)：盡管碳在太陽(yáng)這樣的恒星中含量豐富，但平均到整個(gè)地球來(lái)看，碳實(shí)際上是一種稀有元素。我們生活在一個(gè)富含碳的環(huán)境中，而這個(gè)環(huán)境位于一個(gè)貧碳行星的表面！這是如何發(fā)生的？

天文學(xué)家西奧多·斯諾和唐·布朗利帶我們踏上了一段跨學(xué)科的探索旅程，以宇宙學(xué)的宏大視角，回顧碳從宇宙誕生到地球演化、從生命起源到人類文明的非凡旅程。

讀完這本書，你將明白，奇妙的碳元素如何在最宏大的意義上真正塑造了我們的世界。