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科网群英烩 王茂章 研炭翁说碳
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已有 796 次阅读 2011-1-12 09:41 |个人分类:未分类|系统分类:科普集锦|关键词:碳，炭
博主回复：普通炭纤维中仍然还有氢、氧、氮等微量元素，因此应该叫作“炭纤维”，只有经过3000度左右石墨化的炭纤维才可称其为“碳纤维”，但是习惯上都叫作石墨纤维了。
向王老师请教个问题：“碳元素在99.9%以上的物质，如碳纳米管、碳60等”:(1)有这种说法，当碳纳米管的直径100nm时，即称纤维了，那么，例如，对于200nm的，应该成为纳米碳/炭纤维呢？（2）高温石墨化后的炭纤维的C含量应该能够高于上述数值，那么此时的炭纤维是否能称为碳纤维？当然了，常常叫石墨纤维。
博主回复：谢谢您的关注，提出了一个很有意思的问题。一般来说，炭是指碳/氢比大于10的固体材料。但氢量少到多少才被看作是碳，并无定论。因此，高度纯化的含碳固体物质似乎也可以是碳材料，如您所说的纳米碳纤维或石墨纤维等。正因为如此“中国科技术语”在规范时也作了变通，这种情况下，“炭”“碳”两者均可用。而包括“炭”“碳”两种的材料，则可统称为碳质材料。
精选 已有 2526 次阅读 2011-1-12 10:22 |个人分类:未分类|系统分类:科普集锦|关键词:石墨烯，笔痕，碳纳米管，足球烯
图2.石墨烯及其形成的不同性质的各种同素异性体。
图3.化学剥离法示意图
通过调整双分子层石墨烯的能带隙可以把它从金属转变到半导体，因此可在双层石墨烯的1平方毫米的片上装有数以百万计的不同的电子设备，并且这些装置可随意改装。而石墨烯发光二极管将能发出任何远至中红外范围的频率，它甚至可以用于激光材料，产生从太赫兹到红外的宽频率。
氧化石墨烯纳米悬液在与大肠杆菌孵育2小时后，对其抑制率可超过90%，氧化石墨烯的抗菌性源于其对大肠杆菌细胞膜的破坏。氧化石墨烯不仅是一种新型的优良抗菌材料，而且对哺乳动物细胞产生的细胞毒性很小，有望在环境和临床领域得到广泛的应用。
IP: 222.79.245.* 举报[19] 匿名 2011-2-28 13:59 王老师的博客可以留言讨论了啊，我好专门发问了帖子针对这个问题。
我的看法是：既然石墨烯在接近“量子临界点”时其电子的行为就像一种近乎完美的液体（具有高度湍流性、极低的黏性）。石墨烯的这种不同寻常的低黏度及强烈的电子相互作用，为一些有趣的纳米电子应用提供了可能。通常情况下，材料的电阻不会随电压的改变而改变，但在石墨烯中却有这种可能。更为突出的是，石墨烯的传热速度比银和铜的高十多倍。单层石墨烯几乎完全透明，吸光率仅2.3%，但它却又十分致密，即使最小的气体原子氮也无法透过。 --- 那么请问，上面的插层能覆盖全部衬底么？
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“一张保鲜膜大小的石墨烯”是什么意思？ 是说有很多层石墨烯？ 如果很多层，就成了石墨吧？ 可是，石墨从没发现有这么高的强度啊？
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王老师啊，这个不准确的说，形成富勒烯需要五元环，单靠石墨烯包卷是不能得到的。。。
博主回复：谢谢你的问题！你说的有一定道理，但是要知道，石墨烯在包卷过程中其中的某些碳碳键合会发生变化，从sp2键转化成sp3键，形成一定量的五元环或七元环，否则就不可能包卷成富勒烯和纳米碳管。
博主回复：谢谢，这也是我学习的过程，请多关照！
精选 已有 2017 次阅读 2011-1-19 12:19 |系统分类:科普集锦|关键词:blank
我忽悠了吗？-谈谈石墨烯的强度
本来研炭翁说碳（三）想写“碳是个什么东西？”，但上网一看，有几位评议人对前文“研炭翁说碳（二）浅谈石墨烯”（以下简称“前文”）所举有关石墨烯强度的比较及例子表示质疑。游客交大钢铁研究者甚至毫不客气地提出：“这位是学者吗？怎么看着像忽悠啊？”。因此，被逼不得不先写此文作一总的回复。
写科普文章时，为避免枯燥的数字和太深的理论阐述，常常用简单的比较和例子予以说明，希望能达到深入浅出的目的。“前文”中提到的比较及例子并非本人原创而是引自其它文章（因系科普文章，当然也就未列出参考文献），但是这些比较和例子是有理论和实验数据作依据的。科普文章的例子和比较或比喻不可能像科技论文那样精确、贴切，但是也绝不能像科幻小说那样完全离谱。那么，石墨烯的强度到底是多少，“前文”中的例子和比较离谱了吗？文章的作者是在忽悠吗?
外层电子形成sp2杂化的碳原子所形成的碳碳双键（C=C）是自然界最强的价键之一，根据其键能607KJ/mol和碳键的密度，计算出石墨烯的弹性模量为1Tpa(1 TPa=103 GPa=106 MPa)。按照吉拉曼（Gilaman）固体材料理论固有强度的计算可得出，石墨烯的抗拉强度为180GPa。谈到钢铁，一般多指块状钢铁，包括各种不同牌号碳钢和不锈钢在内，其强度在0.78-1.68GPa之间, 石墨烯的强度不是比它们大100多倍还多吗？
本人学识浅薄，孤陋寡闻，愧为学者，仅对碳略知一二，确实不知钢琴丝、钢晶须等还有那么高的强度，这也说明隔行如隔山的道理。但是，也并没有无知到用石墨烯来与钢丝或钢晶须作比较呀！如果钢铁的理论强度如交大钢铁研究者所说是20Gpa，但块状钢铁应和普通块状炭材料一样，是很难达到纤维和晶须的抗拉强度水平的，更何谈达到其理论值。另外，“前文”中也并没有说石墨烯是钢铁理论强度的100倍呀！
单层石墨烯是完美的理想晶体，其力学性能自然可接近其理论值，SP2杂化碳碳键形成的碳纳米管实测得到的抗拉强度也有150Gpa（参见Nature. 1997.vol.389.no.6651,pp,582-4）。石墨晶须的抗拉强度则为21 GPa。炭纤维也主要是以SP2杂化碳碳键所形成的材料，尽管受脆性材料中的裂纹、孔隙及晶粒大小等众多因素所影响，其抗拉强度与理论值有很大差距，但其工业产品的抗拉强度值也相当高，不同牌号的产品如T300、T800和T1000的抗拉强度分别可达3.5GPa、5.5Gpa和7.0GPa。这些也都是看得见，摸得着并已在航空、航天、军工等部门大量应用的产品。正是由于炭纤维的高强度、高模量，美国F-22战机的表面用炭纤维复合材料已达70%，民用波音787和空客A380中炭纤维复合材料已占其结构材料的50%以上，每架飞机用炭纤维的量达23吨。说到这里，似乎有点跑题。然而，在上世纪60年代，刚开始研究把脆性的炭材料变成柔韧的炭纤维时，谁又能想到能有今天这样的发展。从炭纤维的发展我们不就可以看到石墨烯的明天吗？
至于“前文”中的提到的另一比喻，请参看“科学”杂志中的一篇论文（ Science ，18 July 2008.Vol. 321. no. 5887, pp. 385 - 388， “Measurement of the Elastic Properties and Intrinsic Strength of Monolayer Graphene ）。该文作者为哥伦比亚大学的物理学学者Changgu Lee, James Hone等，他们对石墨烯的力学特性进行了较全面研究。为此，他们选取一些10—20微米的石墨烯作研究对象，先将这些石墨烯样品放在了一个表面钻有小孔的晶体薄板上，这些孔的直径在1—1.5微米之间。然后用金刚石制成的探针对放置在小孔上的石墨烯施加压力，测试它们的承受能力。结果发现，在石墨烯样品开始碎裂前，其每100纳米距离上可承受的最大压力达到了大约2.9微牛。据测算，这一结果相当于要施加55牛顿的压力才能使1米长的石墨烯断裂。如果能制取出厚度相当于普通食品塑料包装袋的（厚度约100纳米）石墨烯，那么需要施加差不多两万牛顿的压力才能将其扯断。换句话说，如果用石墨烯制成包装袋，那么它将能承受大约两吨重的物品。
Nature和Science是公认的世界顶级科学杂志，其上发表的论文和数据，恐怕没多少人会认为其论文作者是在忽悠人吧？
正如“前文”最后提到的，石墨烯作为材料应用其研究之路还很长。当前还根本制造不出1米大小的石墨烯，目前非科技人员可能既看不见，也摸不着它。制出较大面积的石墨烯时，其性能还有可能发生变化。
虽然石墨烯的存在人们早已知道，但单层石墨烯的成功分离才仅仅6年，对其认识和研发也刚刚开始，和炭纤维碳纳米管一样，只要找准方向不断努力，美好的愿望和实用前景就有可能实现。更何况当今世界无论是物理学家、化学家还是材料学家，都在一窝蜂地竟相研究石墨烯这一新材料。这也正是为什么日本IT公司和美国国家宇航局（NASA）的先进概念研究所等机构，基于碳纳米管和石墨烯的高强度、轻质量，先后提出用碳纳米管或石墨烯作缆绳，研发通向太空的天梯。这样大胆的设想，在某些眼光短浅的人看来，不更认为是在忽悠吗？
很欣赏你们的争和辩！
IP: 123.118.2.* 举报[6] 匿名 2011-1-20 13:14 ----------------------------------------------------------------------------
还解释啥，从开头的论证，就看出你有两种可能，1是小小子闯世界，2，是大忽悠的钱耙子。
第一个指标，是你根据石墨烯单一条件的理论计算，第二个指标是实际宏观测量，两者根本不是一回事儿，能比么。
你要讲单一指标的理论计算，俺可以说豆腐比钢铁硬一万倍。
你不是大忽悠是啥？
IP: 67.0.23.* 举报[4] 匿名 2011-1-20 01:55 Ecqsun@ntu.edu.sg
Theoretical reproduction of the elastic modulus enhancement,28, 31, 32 melting point depression of carbon nanotubes,28, 33 the C 1s binding energy shift of carbon allotropes,34-36 and the width dependence of the band gap expansion of graphene ribbon have37 confirmed consistently that the C-C bond at the graphene edge is 30% shorter from 0.154 to 0.107 nm with a 152% increase of bond energy.28, 31, 32 The Young’s modulus was determined as 2.595 TPa corresponding to the bulk modulus of 865 GPa. For the 3-coordinated GNR interior atoms, the C-C bond contracts by 18.5% to 0.125 nm with a 68% increase of bond energy.31 The effective wall thickness of the SWCNT is determined to be 0.142 nm. Girit et al 5, 38 discovered that breaking a C-C bond of the 2-coordinated carbon atom near the vacancy requires 7.50 eV per bond that is 32% higher than the energy (5.67 eV/bond) required for breaking one bond of a 3-coordinated carbon atom in the interior of a suspended graphene sheet. It is also discovered that39 the mechanical strength of graphene increases with the density of defects (the reconstructed 5- and 7-membered rings forming the grain boundaries), because of the particular ring bonds and their elongation dynamics.
28. Sun, C. Q.; Bai, H. L.; Tay, B. K.; Li, S.; Jiang, E. Y. Dimension, Strength, and Chemical and Thermal Stability of a Single C-C Bond in Carbon Nanotubes. The Journal of Physical Chemistry B 2003, 107 (31), 7544-7546.
29. Zheng, W. T.; Sun, C. Q. Underneath the fascinations of carbon nanotubes and graphene ribbons (Perspective). Energy & Environment Science 2010, DOI:10.1039/C0EE00434K.
30. Kittel, C. Introduction to Solid State Physics. Wiley: New York,1996, pp 57.
31. Wong, E. W.; Sheehan, P. E.; Lieber, C. M. Nanobeam Mechanics: Elasticity, Strength, and Toughness of Nanorods and Nanotubes. Science 1997, 277 (5334), 1971-1975.
32. Falvo, M. R.; Clary, G. J.; Taylor, R. M.; Chi, V.; Brooks Jr, F. P.; Washburn, S.; Superfine, R. Bending and buckling of carbon nanotubes under large strain. Nature 1997, 389 (6651), 582-584.
33. Bai, A.; Seiji, F.; Kiyoshi, Y.; Masamichi, Y. Surface Superstructure of Carbon Nanotubes on Highly Oriented Pyrolytic Graphite Annealed at Elevated Temperatures. Jpn. J. Appl. Phys. 1998, 37 (6B), 3809-3811.
34. Balasubramanian, T.; Andersen, J. N.; Wallden, L. Surface-bulk core-level splitting in graphite. Physical Review B 2001, 64 (20), 205420-205423.
35. Kim, K.; Lee, H.; Choi, J. H.; Youn, Y. S.; Choi, J.; Lee, H.; Kang, T. H.; Jung, M. C.; Shin, H. J.; Lee, H. J.; Kim, S.; Kim, B. Scanning Photoemission Microscopy of Graphene Sheets on SiO2. Advanced Materials 2008, 20 (19), 3589-3591.
36. Sun, C. Q.; Sun, Y.; Nie, Y. G.; Wang, Y.; Pan, J. S.; Ouyang, G.; Pan, L. K.; Sun, Z. Coordination-Resolved C-C Bond Length and the C 1s Binding Energy of Carbon Allotropes and the Effective Atomic Coordination of the Few-Layer Graphene. The Journal of Physical Chemistry C 2009, 113 (37), 16464-16467.
37. Zhang, X.; Kuo, J. L.; Gu, M.; Bai, P.; Sun, C. Q. Graphene nanoribbon band-gap expansion: Broken-bond-induced edge strain and quantum trap depression. Nanoscale 2010, 2, 2160-2163.
38. Girit, C. Ö.; Meyer, J. C.; Erni, R.; Rossell, M. D.; Kisielowski, C.; Yang, L.; Park, C. H.; Crommie, M. F.; Cohen, M. L.; Louie, S. G.; Zettl, A. Graphene at the Edge: Stability and Dynamics. Science 2009, 323 (5922), 1705-1708.
39. Grantab, R.; Shenoy, V. B.; Ruoff, R. S. Anomalous Strength Characteristics of Tilt Grain Boundaries in Graphene. Science 2010, 330 (6006), 946-948.
由于石墨烯刚得诺奖，所以各学科的研究人员都往这个领域挤. 结果就出现了很多不专业的现象. 有人对我的评论很不以为然，觉得我在挑刺，一个专业词汇用得不当值得那么认真吗。 我觉得一个严谨的科学研究人员，语言一定要专业，科学词汇一定要正确，基本概念绝对不能出错，理论解释不能出格. 如果你自造一套专业语言，如何与他人交流.
如果非有机化学专业的人，一定要在石墨烯研究中，提出自己的理论解释，本人愿冒外行之名提出一些建议：（1） 建议读读电荷转移络合物的文献. 电荷转移络合物虽然是小分子，但是它的几何匹配原理，轨道能级匹配原理，对成称性匹配原理还是可以推广到石墨烯领域的；(2)读读分子内电子转移速度的研究. 这方面，Paddon-Row的工作也许可以借用；(3)读读关于分之间作用的研究。 这方面Morokuma的的工作也许会有帮助. 当然，在这方面，本人也做了不少工作；(4) 适当学点PMO（微扰分子轨道）理论，对于定性理解分子间作用也许会很有帮助的
已有 623 次阅读 2011-1-19 13:01 |系统分类:科普集锦
碳是个什幺东西？
为什么有碳原子、碳分子，又有碳元素，它们之间有什么不同？为什么性质不同、形貌廻异的石墨和金刚石都是碳？为什么有碳原子中有碳12又有碳14，两者有何区别？碳到底是个什么东西？
其实，有初中水平的人就应该能回答，但可能有些人已忘记了，在这里让我们再综合起来回忆一下。
随着数千年文明的发展，人类不断从宏观和微观两个方面拓宽知识，对物质世界的认识已经可以跨越42个数量级，即在宏观上目前观测所及的宇宙空间范围已可达到1026~1027（1后面26-27个零）米，而微观上已知组成质子、中子的夸克、胶子等粒子的大小仅为10-16（小数点后面16个零）米。人们现在已经知道整个宇宙是由不同物质组成，物质的种类有几千万种以上，但组合搭配形成这些物质的元素却并不多，已知自然界存在的仅九十多种，加上人造的总共也只有118种，碳就是这些元素当中的一个，但又是极为特殊的一个。
原子是由原子核和不同数量、围绕其旋转并带有一个单位负电荷的电子所组成。电子是质量很小的微粒,在原子核外作高速运动，原子核则是由带正电荷的质子和不带电荷但有一定质量的中子所组成。这些都是我们从初中课本中已经获得的知识。由于不同原子中有着不同数量的质子、中子和电子,因此它们的性质便有了很大的变化。元素则是具有相同原子序数或相同核电荷数（即质子数）的同一类原子，碳元素就是所有碳原子的总称，而碳通常是碳元素的简称。
图1．碳原子中原子核及围绕它旋转的6个电子的示意图
图2．碳原子中电子云(蓝色部分)的几种组合方式
碳原子有极强的化学成键能力，周期表的所有元素中只有碳是能够形成更多价键的原子，也只有碳才是能形成结构数更多的元素。由同种元素组成的纯净物叫做单质，同一种元素组成的不同性质的单质被称之为同素异性(或同素异形)体。随碳原子排列的不同，其组成结构也不一样。仅仅由碳原子却可以组成结构和性质完全不同的深灰色石墨和光彩夺目的金刚石等原子晶体，还可由几十或数百上千个碳原子形成碳60(C60)之类的富勒烯、纳米碳管或石墨烯分子。碳60还能进一步形成分子晶体。只有碳元素才能形成无穷无尽的同素异性体，这又是其独特之处。这些我们在以后都会陆续谈到。尽管各种同素异性体的物理性质极其不同，由于其核电荷数和核外电子层结构相同，所以它们的化学性质全都一样，例如在空气中它们都能像煤炭一样，充分燃烧生成二氧化碳，同时放出大量的热来。
由于电子、质子和中子都有一定的质量，不同原子的核电荷数不同各种原子的质量也就会不一样。原子的绝对重量极小，难以直接称量，故最早用原子中最轻的氢原子重量为1来测定其它元素的相对原子量，后来又将自然界存在的氧原子的平均原子量等于16.0000作为基准。考虑到碳元素在自然界的丰富程度以及它又有很强与其它元素结合的能力，所以国际上从1961年起为了避免混乱，统一将12C（碳12，其原子质量数，即质子数与中子数之和为12的碳原子）作为基准定为统一原子量的标度，其相对原子量被精确地定为12.0000，所有其它的原子和分子均参照它来确定各自的质量，从而使物理化学数据更为精确。
人们发现自然界具有相同质子数的原子，有时其中的中子数并不完全相同，于是将有相同质子数但中子数不同的同一元素的几种原子互称为同位素。已发现的天然同位素有300多种。人造同位素更是达1200多种，已发现碳原子的同位素有13种，即从86C（左上8表示原子质量数，左下6表示质子数）至206C，其中126 C（碳12）和136C为稳定同位素，各自的平均相对丰度分别为98.9%和1.108%。其余同位素均为放射线同位素，其中除146C（碳14）的半衰期为 5730年，人们可感到其存在外，其余的同位素由于半衰期很短，如166C仅为0.74秒，176C仅有20毫秒,即0.02秒,所以无太大意义。大气中的碳12和碳14按一定的比例保持不变，即每克碳中仅有百万分之13.56的碳14。利用碳14的半衰期，人们可以估计含碳物质，如树木、骨头和含生物分子的化石的年岁，即所谓碳14监年法，也称为碳年代测定法（carbon dating）。周期表中所列元素的原子量是按各元素所有与天然同位素丰度一致的原子重量所占百分比计算的平均值，所以碳元素的原子量不是12.000而是12.001。
宇宙万物是由各种基本粒子及近百种元素和其形成的化合物所组成，在这些元素中最为特殊、也是最为神奇的就是碳元素。碳原子能形成无穷无尽的单质和化合物。没有任何元素能像碳元素那样，作为单一的元素却可形成许许多多结构和性质完全不同的物质。各种类型碳单质所具有的性质几乎能包括地球上所有物质的性质，有的甚至是完全对立的性质。例如：最硬(金刚石)-最软(石墨)；绝缘体(金刚石)-半导体(石墨)-良导体(石墨烯)；绝热体(石墨层间)-良导热体(金刚石)；全吸光(石墨)-全透光(金刚石)等等。碳在宇宙进化系统中起重要作用，又是太阳等恒星发光不可或缺的元素，也是地球上各种有机生命的关键组成元素，碳及其化合物和人类息息相关，几乎深入到我们生活的每一个角落，它无处不在，人们无时无刻也不能与之分开，新型碳质材料的研究和开发正日新月异，也正在改变和提升我们的生活质量。碳元素如此重要，如此神奇,那幺它是从哪里来的呢？请看研炭翁说碳(五)：碳从哪里来？
已有 314 次阅读 2011-1-23 13:02 |系统分类:科普集锦|关键词:起源 元素
世间万物都在运动变化，都有各自的起源和演化规律，碳元素也不例外，也在不断演变和进化，也有其起源和演化的规律。那么碳是从哪里来的呢？
早在1886年，英国著名科学家克鲁克斯曾发表了一篇论文《元素的产生》，提出所有的元素都是由一种原始物质逐渐凝聚而成的。1932年匈牙利天文学家勒梅特首次提出宇宙大爆炸概念。他根据任何事物都是从简单到复杂的规律，认为整个宇宙最初是聚集在一个“原始原子”中，后来发生了大爆炸，碎片向四面八方散开，形成了现代的宇宙。1956年，美国科学家尤里首先发表了在宇宙间元素分布的数据，发现氢最多，氦次之，再次为碳、氮、氧，并且某一元素随其原子量的增加而迅速减少，但到了铁时又会突然增多，而比铁原子量更重的元素则又逐渐减少。1948年，美籍俄国天体物理学家伽莫夫考虑到，如果按照爱因斯坦的广义相对论的理论再加上一些原子的反应过程，就有可能推算出宇宙的演化历史。伽莫夫和他的学生阿尔文及朋友贝瑟一起将他们的论文《化学元素的由来》投给著名的刊物《物理学评论》，这篇文章最后按照三位作者名字第一个字母的希腊文读音，被称之为αβγ理论。这一文章在勒梅特想法的基础上，完整地提出了他们的大爆炸宇宙模型，提出宇宙起源于大约150亿年前一次巨大的爆炸，由最早时期温度极高且密度极大，体积极小的一个“奇点”迅速膨胀而形成，是一个由热到冷、由密到稀不断膨胀的过程，犹如一次规模极其巨大的超级大爆炸。根据天文观测和爱因斯坦的相对论，现代天文学界和物理学界都一致认同宇宙诞生的大爆炸理论。20世纪60年代，这个预言果然被天文学家在对宇宙进行观测后证实，这也就使大爆炸宇宙模型成为宇宙学界的标准模型。它与粒子物理学中的夸克模型、生物学中的DNA双螺旋结构模型和地质学中的板块模型一起，并称为20世纪科学界最著名的四大科学模型。
在此基础上，1954-56年间福勒（Fowler）与伯比奇夫妇 (E. M. Burbidge和G. R. Burbidge) 以及霍伊尔 (F. Hoyle) 合作，对恒星中的核反应进行了一系列的研究。1957年，他们全面阐述了恒星中化学元素的核合成，在《现代物理评论》上发表了后来简称为B2FH（四作者名的第一个字母）理论的著名论文。该论文指出了恒星的演化方向以及与恒星演化各阶段相应的8种核合成过程，提供了计算恒星内部结构的客观基础，阐明了超新星爆发和大质量恒星演化的关系。
WMAP探测到的宇宙膨胀过程
近年来美国宇航局威尔金森微波各向异性探测器(WMAP)向天文学家提供了新的数据，证实大爆炸理论的正确性，它已探测到137亿年前大爆炸后40万年所形成的余辉，发现约40亿年后第一代星球的生成。因此，根据最近标准宇宙论模型以及B2FH理论，比较一致的认为是：宇宙是在不断地进行膨胀和收缩循环，既没有开始，也没有结束，我们处在的这一轮循环是大约137亿年前由收缩到非常致密的小质点爆炸后产生的。大爆炸后的极短时间内（10-30秒）宇宙便加速暴胀，目前正处于缓慢膨胀的初期，仍在继续膨胀。在爆炸后的百万之几秒，温度达1千亿度（1011 k ），形成一种超炽热、极致密、由一些被称为夸克(quark)和胶子(gluon)的粒子组成，它们四处游荡，横冲直撞。随后少量的电子、光子和其他较轻的基本粒子又参加进来。这时混合物的温度可高达上万亿℃，比太阳核心还要炽热10万倍以上。但是，温度会随着宇宙的膨胀而直线下降，就像今天一团普通气体在迅速膨胀时会冷却一样。夸克和胶子的速度也大为减慢，以致其中一部分开始能暂时地粘连在一起。随着宇宙的膨胀，当其冷却至1百亿度时，夸克通过胶子传递的强作用力组成亚原子粒子质子和中子，后者又进而形成原子核。当电磁力起作用时，原子核捕捉电子后形成一些最轻的氢和氦原子，这一过程仅三分钟。在大爆炸10亿年后，宇宙冷却到4000K时，最初形成的氢、氖、氦等元素组成原始星际物质，靠引力收缩形成原始恒星团块，此时温度又逐渐升高，当温度达到700万K时，原子中电子脱除，仅剩原子核，高温高压下它们因热运动碰撞，两个轻原子核熔合在一起成为一个重原子核。在温度为110～1110万K的恒星中，主要产生质子－质子热核反应，氢核聚变转化为氦。当恒星中心温度和压力提高至氦被点燃时，氦芯收缩而外层膨胀和冷却，变成了红巨星。按照B2FH理论，通过3α过程，三个氦原子可聚变成一个碳原子。这一过程由两步完成，先是两个α粒子(即4He原子核)形成8Be，但后者寿命仅10-16秒，然后再捕获一个α粒子，形成12C。因此，碳是完全在星球内部形成的第一个最轻的元素。若星球核心进一步收缩至6亿度以上的高温，则碳继续聚变产生氧、镁等原子核。如果没有形成碳的3α过程，就不可能进一步形成其它重元素。在形成质子数为26的铁之后，核聚变不再是放热反应，此时核心产生的震动波与外层的物质相撞，释放大量能量产生更多热核反应，从而形成更多比铁更重的元素。恒星外层炸掉，形成所谓超新星爆炸，一系列热核反应生成的各种元素也被散布到宇宙各处。据估计太阳中每106氢核有215个碳原子，宇宙中106氢核中有85个碳原子，而恒星包覆物及环绕其外围中碳/氧>1的富碳星每年可产生固态C的速率约为0.002M⊙（M⊙为太阳的质量）。
在温度为 ~5×107K的最早恒星中，会以更高速率产生必要量的碳来催化氢的燃烧。太阳中心温度为1500万度，而质量>1.5M⊙的恒星，其核心温度可达3000万K以上，此时主要是：“碳氮氧循环”（也称“碳循环”）反应。在此反应中，碳作为中间物起催化作用，所以碳在恒星发光发热过程中也起着重要作用。1938年贝特（Bethe ）提出这一碳氮氧循环理论,并因此获得1967年的诺贝尔奖。
从现代观点看，整个宇宙都是大爆炸后热核反应的产物，无论是我们每天看到的太阳，还是我们目前生活的地球都莫不如此。作为物质的一种的碳元素当然也不例外。可以说，我们人体中的每一个碳原子也都是宇宙大爆炸后，在恒星热核反应中燃烧 “灰烬”的产物。
碳是宇宙前期种形成的关键元素,也是地球上最活跃的元素,其存在形式复杂而且在不断地演化:从单一键态，演化到复合键态的多形式碳；从早期的原生碳，演化到无机碳,从无机碳演化到有机碳；碳的单质形态，也从链型向层型、管型、球型和配位型不断转化。那幺宇宙中的碳有哪些形态？请看研炭翁说碳(六) 宇宙中的碳
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教科书上说挪威地球化学家戈尔德施密特（V.M. Goldschmidt）1937年首次计算和汇编了元素及同位素的宇宙丰度（元素的分布及含量）。未必正确，只是参考，仅作探讨。
精选 已有 1649 次阅读 2011-2-20 08:08 |系统分类:科普集锦
研炭翁说碳(六)
从钻石星球“露西”说起
——漫谈宇宙中的碳
图1钻石星球 图2宇宙中的巴基球
光辉夺目，晶莹剔透的钻石虽然也是碳元素的一种形式，但却是年轻女士在情人节时最期盼的礼物。地球上已发现的最重钻石是1905年产于南非，重3106克拉的“库里南”钻石原石。按每克拉为0.2克计算，其重量相当于621.2克，尚不足一公斤。但是，你知道吗，距离我们地球50光年的人马座中，有一颗编号为“BPM37093”星球却是迄今所知宇宙中的最大的一颗钻石。它的直径为4000公里，重量达10的34次方 克拉，即2×10的27次方 吨，天文学家根据披头式乐队的歌曲“天空中那是载着钻石的露西”，而将它命名为“露西”。事实上，它是恒星中核反应完全结束、转化成白矮星之后形成的碳内核，随温度的降低，其中的碳元素就会逐渐形成密度极高的结晶，从而成为银河系中最大的钻石。50亿年之后，太阳也将蜕变成一颗白矮星，然后再经过20亿年，就也将变成一颗闪闪发光的大钻石。
除由恒星直接转化成的大钻石外，也有在恒星周围形成的碳行星。人类已经观察到100多颗太阳系以外的行星。在这些行星中，也有一些是由含有丰富碳元素的气体及尘埃浓缩而成，其中有些行星的主要成分是碳化硅（金刚砂）等。还有一些行星的表壳最上端可能是石墨，而内部是由于高压作用转化成的天然钻石，其表面还可能有碳氢化合物，也可能形成甲烷之类液体碳氢化合物的湖区或海区。有些科学家甚至认为这些太阳系外的碳元素行星可能存在着生命，甚至智能生命。例如，在年龄仅2000多万年、离地球约60光年、被称之为“贝塔-皮克托里斯”的恒星周围，就发现了直径达3000亿公里的气体尘埃云，其中有大量气态的碳，它们正在形成甲烷和石墨储量极其丰富的行星。2008年美国宇航局发布“卡西尼”飞船探测结果称，土星最大的一颗卫星——土卫六的表面湖海中天然气和其它液态碳氢化合物数量惊人，是地球上已探明石油天然气总储量的数百倍。液态碳氢化合物不是以水，而是以甲烷和乙烷的形式存在于土卫六的表面。
宇宙尘粒大小主要在纳米至微米范围，可能在原始行星中有更大的粒子。在原始球粒陨石中曾发现两种太阳前期的碳粒子：纳米金刚石和石墨粒子。纳米金刚石的典型大小为2nm，相当于100个碳原子；而石墨粒子约为1～20nm。在某些富碳星的流出物中发现许多不同结构的碳及非晶态碳粒。在原始含碳球状陨石中还发现许多有机物, 如在含碳陨石中已发现糖类及其衍生的多羟基化合物,因此在数百万年前彗星和陨石轰击地球时可能为地球带来了有机生命的种子。对坠落地球的陨星研究表明，其中碳元素的3%以纳米级钻石形态存在。据推算，宇宙尘云中一克尘埃和气体中可能含一万万亿颗纳米级钻石。美国宇航局的“斯皮策”（spitzer）红外线太空望远镜正在进行这方面的搜寻。在宇宙中，碳元素除以钻石、石墨形态存在之外，还有许许多多其他形式。例如利用哈勃望远镜在一棵距地球65光年、如木星般大小、被命为“HD189733”的系列行星上还发现二氧化碳气体。
自1937年发现第一个星际分子以来，已鉴定出的星际分子已超过130多种，而其中的75％是含碳分子。碳是扩散星际云中自由电子的主要来源，可以使星际气体加热，因此碳在星际介质物理进化中起重要作用。由于碳有更强的成键能力，故能形成多种多样的分子。在空间已鉴定出的含碳分子包括简单的双原子（例如，CO、CN、C2等），简单的多原子（CH2、CH4、C2H2等）和更复杂的不饱和及多环芳烃分子。在距地球约2.6万光年的区域曾探测到乙二醇。乙二醇是由碳、氢和氧组成的10个原子的分子，是目前在宇宙中发现的5个最大分子之一。这一发现表明，星际云中可能存在更为复杂的像核糖一样的糖分子。核糖是构成核糖核酸的主要成分，而核糖核酸是构成脱氧核糖核酸的主要成分。该发现进一步表明，星际化学物质的发现对了解地球早期生物分子的产生十分重要。
六个碳原子接合在一起可形成六角形的苯环分子，多个苯环并在一起可形成萘、菲、蒽等平面的各种多环芳烃分子，苯环的并联可以无限制地继续，在极端情况下就形成不同大小的平面石墨烯分子。多环芳烃分子被认为是空间最丰富复杂分子类的代表，这类分子有很高的光分解稳定性，从而能在苛刻的星际环境中存在。多环芳烃分子在富碳巨星流出物中产生，其过程与燃烧过程中烟炱的形成类似，它是炭黑粒子的基本原料，是气相中分子碳和尘埃粒子（或碳质固体）的中间产物。平均大小为20～30碳原子的多环芳烃分子和碳碳链是星际云中“热”的分子云核心（100～200K）和碳星外围的普通组分。
2010年，用“斯皮策”红外线太空望远镜，在距离地球6500光年的天坛星座一颗星体周围的宇宙尘埃中，也捕捉到巴基球(即富勒烯： C60、C70等)引发的红外光谱扰动。由于巴基球是最稳定的物质之一，因而它们可以在星际间的强大太空辐射场中保存下来，这一发现证明富勒烯也能在太空中形成。C60和C70因其所具有的独特特性，在太空发生的各种物理和化学反应中扮演着非常重要的角色,这一发现甚至可能帮助科学家解释在宇宙尘埃中已经探测到还无法解释的化学信号。
整个宇宙的质量中， 95％为看不见的黑暗物质、黑暗能量和中微子。星球、彗星、宇宙间气体和灰尘仅占整个宇宙质量5％，其中的所有物质均由近100种元素及其300多种同位素组成。宇宙内的所有元素中，碳元素含量所占比例仅为0.3%，但其丰度列第6位。在太阳系的元素和同位素中，按原子比率的顺序碳和氧差不多列第4位，仅低于氢和氦。碳也是形成地球宇宙微粒的主要构成元素，随着不断的演化发展，以碳为骨架，终于在地球上形成了各种动植物繁衍的大千世界，详细请看研炭翁说碳(七)碳在地球上的轮回。
IP: 125.39.66.* 举报[7] 匿名 2011-2-26 18:16 好文章！这个讨论区有意思，可以达到百家争鸣的效果
IP: 210.93.98.* 举报[6] 匿名 2011-2-26 16:11 2010年, NASA报告, 人类已经观察到近500颗太阳系以外的行星. 但它们都不适合人类居住.
罗渝然, luo971@ustc.edu.cn
我的博客专著正写到“多环芳烃的芳香性”，将介绍我们的新的研究方法, 也将介绍我们与价键理论研究人员之间的重大争论。
所以，您的关于多环芳烃的论述引起了我的思考. 从苯到多环芳烃，从多环芳烃到石墨烯，除了分子量的增大外，材料的组成也发生了质的变化，根本的变化是，石墨烯是单分子材料，其他所有的材料都是有无数的分子组成的. 因此，石墨烯的所有化学物理性能都是单分子的性能，没有分子间的作用。可以这样说，石墨烯为分子内的作用，分子内的轨道作用的研究提供了一个非常好的途径. 其他所有物质的化学物理性能，很大程度上取决于分子间的作用. 例如，它们的光谱性能是大量分子所表现出的一种统计分布的结果。 即使C60，碳纳米管等，也不是单分子材料。石墨烯虽然也可以说是大分子，但与有机大分子也有本质区别，根本的区别也在于石墨烯是单分子材料 .
理论化学的研究仅仅是对单个分子做研究，这种研究完全忽略了分子之间的作用。 因此，有些理论很难获得实验的证据. 期盼石墨烯为基本理论问题的研究，提供有力的实验证据.
你在哪里? 寻找一位匿名研究石墨烯的大侠
罗渝然， luo971@ustc.edu.cn
一月二十日, 王茂章老师发表博文 “研炭翁说碳(三), 谈谈石墨烯的强度” (http://bbs.sciencenet.cn/home.php?mod=space&uid=526286&do=blog&id=405824) ，引来多位大侠讨论。
其中一匿名博友 (IP: 123.118.2.* ) 提出利用碳碳双键（C=C）键能估算石墨烯的弹性模量. 我对这样的估算很有兴趣。
借《科学网》交友，那位匿名研究石墨烯的大侠，你在何方？交个朋友吧！.
精选 已有 1057 次阅读 2011-3-2 13:31 |系统分类:科普集锦|关键词:style 起源 星云 元素
地球起源于46亿年前原始星云，碳是形成地球宇宙微粒的主要构成元素之一。随着地球的演化，碳在地球的不同圈层内也在不断地变动和演化。地球中重元素较多，从地表到往下16公里的地层，包括大气层和水圈在内，碳的质量分数仅为0.08%，其丰富程度仅列第14位，远低于氧、硅、铝、铁等元素。但是，碳却是存在形式最复杂的元素。基于碳的极高成键能力和独特的性能，唯有碳，才能够成为太阳能的主要化学能源载体；也只有碳，才能成为构成地球上各种生物体的骨架元素。地球上的碳，除了大部分演化为碳酸盐和化石燃料外,也有极少量在各种特殊条件下转化为单质碳，如石墨和金刚石，甚至还有天然富勒烯和纳米碳管。
在各种特殊条件下，碳在宇宙和地球上演化为众多的有机分子(如碳水化合物、氨基酸、蛋白质、核酸等)，进而发展成能自我重构的大分子，即有遗传信息的原始基因片段。这些原始基因片段利用自身及周围材料，在光能等作用下通过生物化学反应重构自己的躯体,在不同的条件下经过长时间的进化发展，在地球上终于形成了当今包括人类在内、各种动植物繁衍的大千世界。
地球上所有的“能”均来自太阳。物质可以循环，但能量消耗转化后却不能再生。自养型植物可通过其体内的叶绿素吸收太阳能使低能量的二氧化碳（CO2）和水转化为高化学能的糖类贮存于体内，而异养型动物则要通过食物链由植物或其它动物取得能量来保持自身的机能。生物通过有控制的呼吸作用缓慢地燃烧糖类释放出CO2，同时产生能量供生物体维持其生命。这一新陈代谢是生命的基本特征，是生物体与外界环境之间物质和能量的交换过程，而正是碳在这一演化过程中起关键作用，也只有碳才能完成这一重大使命。
佛教认为人可以转世，既有我这辈子必然有上辈子，并且认为转世的不是肉体，而是灵魂。然而，从科学角度看，人体中可转世轮回的只有身体中的碳，它既有今生，还有前世。任何人身体中的碳无不来自亿万年前恒星的热核反应。人和其他动物一样，每天通过食物输入新的含碳有机物，以提供维持生存的能量，同时又通过呼出CO2及排泄出残余含碳废物，进行体内碳原子的不断代谢更新。人在百年之后，整个躯体中含有的碳物质将飞灰烟灭，在细菌及氧的作用下完全分解成CO2，如果这些CO2与日常呼出的CO2被植物吸收就又有可能再次轮回到下一代的人体中。说不定你身体中的某一碳原子几千年前曾在秦始皇身上呆过，也可能上辈子曾在牛马体内停留，各种几率都有，但是因为碳原子的数量实在太多，每一种情况的单一可能性又极低极低。
地球上贮存碳的最大两个碳库是岩石圈和化石燃料，其总含碳量约占地球上碳总量的99.9％。地球上还有另外三个碳库：即大气圈，水圈和生物圈。这三个库中的碳在生物和无机环境中不停地交换。岩石圈中碳主要以碳酸盐形式存在总量为6×10的16 次方 吨，大气圈以CO2和一氧化碳形成存在，总量为7.2×10的11次方 吨，水圈中以多种形式存在，生物库则主要以有机物存在，海洋中含碳量是大气中含碳量的50倍，为3.84×10的13次方 吨。
释放CO2的库，称为“源”（Source）；吸收为CO2的库，称为汇(Sink)。岩石圈中的碳借助于岩石的风化和溶解，化石燃料的燃烧以及火山爆发等可重返大气圈和水圈。贮存在动植物体内的碳也可因燃烧死亡后细菌分解等途径转化，将CO2释放于大气中。陆地生态系统也与大气迅速交换CO2，但其循环周期要数十年。地球早期陆地未被现代大气CO2饱和，故当大气CO2增加时，陆地植物是人为碳的潜在碳汇。大气中CO2不断在海洋表面与之交换CO2，但海洋表面吸收CO2的能力却随大气中CO2的浓度增加而降低。
地球上碳的循环
温室效应是大气吸收太阳热的一种效应，起主要作用的是大气中被称为温室气体的微量气体，包括CO2、甲烷、水蒸气、氯氟烃等，它们比其它气体传递红外辐射的效率更差，使能量在对流层中积累，这些气体浓度的增加将使气候变暖。人类的生存通过人体的新陈代谢燃烧各种含碳有机食物所积累的太阳能而得以维持，同样人们的生活也是依靠含碳的煤炭、石油、天然气等化石燃料的燃烧，释放所积蓄的太阳能来提供衣食住行各方面所需的能量。随人类繁衍增多以及生活水平的提高，所消耗的能量也与日俱增，碳的消耗量也大大增加。1850年到1950年的100年间，从化石燃料计算全球所消耗的碳仅600亿吨，而目前每一年的量就达到80-90亿吨碳。按1吨碳燃烧后将放出4吨CO2计算，一年就有约350亿吨CO2排放到大气中。事实上，全球大气中CO2含量已由1800年的280ppmv增至目前的380ppmv。而1860年以来,地球表面平均温度也增加了0.6±0.2℃。工业革命后的近200年来，人类活动已大大地改变了地球上碳的循环。全球变暖将进一步加剧海洋、土壤中储存的碳以CO2形式释放，冰山和积雪的减少将严重影响世界1/6人水的供求。由于海平面将升高，估计到2100年海平面可能上升15-90cm，若在50cm左右就将有900万人直接受到影响。气温的提高也将带来气候异常、物种消失、空气湿度的进一步上升。
正是由于碳作为能量载体的循环所带来温室效应等问题，需要人们对当前的生产和生活方式进行深刻的反思。从世界范围来看，全球气候变化正在推动世界向低碳经济发展，朝节能减排方向转变，也更要求“低碳”成为人们日常生活的一种习惯，养成自然而然地节约身边各种各样的资源。倡导低碳生活，呵护我们赖以生存的地球。
值得提醒的是，这里所谓“低碳”的“碳”是CO2的简称。实际上，人类将碳元素作为材料的开发和利用正欣欣向荣，日新月异，各种碳质材料正在提高和改变着我们的生活。更多利用“材料碳”，就会更少使用“能源碳”，排出的CO2也将更少。详情请看研炭翁说碳（八）碳作为材料的开发。
这可是NOAA实时更新的哦
另外，王老师也可指教：http://bbs.sciencenet.cn/home.php?mod=space&uid=260340&do=blog&id=418504
给王老师推荐一个有意思的网站：http://co2now.org/
但有些说法可能欠妥。比如王老师文中写到“地球上所有的“能”均来自太阳。”，这可能是没考虑到来自地球内部的那部分能量，目前已经发现并证实不少深海底栖生物体系靠的不是太阳能而是地热能。
精选 已有 1005 次阅读 2011-3-11 06:22 |系统分类:科普集锦|关键词:office style
不断提升人类生活质量的碳
-—— 碳作为材料的开发
碳原子的最大特点是不但能与其它大多数元素互相化合，而且碳原子之间也能相互连接，形成各种各样的链状、环状、层状或笼状结构。碳是形成人体组织的骨架元素，它也可在人类生产和生活所利用的一些材料中起着独特的作用。人类在文明的发展过程中不断认识、发现碳的特性及功能，不断地合成、开发和利用各种各样的含碳有机物质和无机碳质材料。
人类进化以来，很早就开始利用各种含碳物质和炭材料。人直立起来后，首先学会的是用含碳的植物作燃料来取暖和烹煮食物。然而，直到公元18世纪,人们才逐渐认识到，碳是一种元素,发现木炭、煤炭、石墨和金刚石都是由碳元素组成。18世纪之前，人类仅将碳作为一种资源。我国在公元前5-6世纪就已将烟炱制成墨汁，18世纪英、德、法等国用天然石墨制成铅笔，这些都为推动人类文化事业的进步做出了贡献。早在公元前30世纪的埃及和10世纪左右的殷代，人类就已利用木炭中的碳作为能源和还原剂还原矿石以获取铜、铁等金属,使人类进化到青铜时代和铁器时代。
钢铁是现代社会的物质基础，是建筑、运输、制造业和人们日常生活必不可少的材料，但钢铁工业的发展却离不开碳。人类从18世纪开始用焦炭作还原剂，至今炼铁用焦炭的产量仍然是含碳原料中加工和使用量最大的。但是，你知道吗？铁中如果没有碳，就既没有强度也没有硬度，只有碳才能“点铁成钢”。钢是含碳量为0.03%～2%的铁碳合金，随含碳量升高，碳钢的硬度增加、韧性下降。然而，当含碳量超过2%到4.3%时，这一铁碳合金又变成了硬而脆，但能耐压、耐磨的生铁。你看，碳的作用不是太神奇了吗？19世纪随着电炉炼钢的开发，利用碳的导电性、耐高温性和耐腐蚀性，通过天然石墨或者焦炭的烧结和高温石墨化处理制造的各种高功率及超高功率的人造石墨电极得到发展，从而极大地改善了炼钢过程。再后来，随着电力、电解和机械工业的发展，利用碳的导电性、润滑性的各种炭电极、电刷和电极糊在炼铝和生产烧碱等方面也得到了应用。
石墨电极 电极接头
鉴于其表面和孔结构特性，骨炭(含碳10%)、木炭等从远古时期就被人们用于吸收臭气，脱除杂色以及防腐、防水和药用。20世纪初，活性炭就已经工业化生产，当今粉状、粒状、球状、纤维状的活性炭在净化空气、治理废水等环境保护方面发挥着日益重大的作用。炭黑生产在19世纪才发展起来，也在炸药、印刷油墨、涂料、电极等材料中起着难以替代的作用，而在现代人们生活必不可少的橡胶中，必需用炭黑作补强剂和填料。炭黑在这方面的消耗量几乎为橡胶消耗量的一半，橡胶用炭黑占炭黑消耗总量的94%。没有炭黑恐怕汽车轮子就很难跑起来！
20世纪后半期，基于碳科学的发展，有意识地利用碳原子小而轻、耐中子辐射、且具有大的结合能等特性，制造了包括核反应堆等使用的高密、高纯、高强石墨，热解石墨，柔性石墨，玻璃炭，各向同性炭，高性能炭粉及金刚石薄膜等，这些碳质制品都逐渐得到开发和应用。特别是强度大、模量高、质量轻的炭纤维得到迅速开发，并作为增强剂用于增强树脂、金属、陶瓷等，使各类复合材料在航天、航空等工业及文体用品等领域得到广泛应用。可以说，没有炭纤维的开发就没有航天事业的今天。
人们基于对碳的特殊性和多样性认识的进一步深化，通过综合利用其物理、化学、光、电、磁及核物理等综合特性,制造了可用于核聚变、半导体器件制造、锂离子电池电极等方面的各种新型炭材料。通过自烧结、材料复合、塑料成型或模板炭化以及气相沉积等新的成型方式，得到不同维度和形态的炭制品和新的碳质基材，如中间相小球、类金刚石薄膜、富勒烯和碳纳米管等。随着纳米材料在制造、表征及物化性能调控方面的整体进步，富勒烯,碳纳米管及其它类型的纳米碳质材料方面的新发现，新成果及新应用不断涌现,碳质材料的发展也日新月异。近年来，有关石墨烯的研发,再次将特种碳基材料推向一个新的高潮。科学家预测这一材料将会在电脑和医学等研究领域掀起一场声势浩大的科技革命。富勒烯、碳纳米管和石墨烯等这些新形态的碳和它们的新功能，很可能于本世纪内在微电子领域促成“硅”被“碳”的替代。
每分钟开闭７０－８０次， 石墨减速核反应堆
每次排血液７０ｍｌ的人造炭心瓣膜
从古至今，煤炭、焦炭、炭黑、活性炭、石墨电极、铅笔和炭膜开关、天然金刚石、人造金刚石、人造金刚石薄膜等，人们几乎无处不在与之接触。而19世纪之后随着碳氢为主要构成元素的有机化学的发展，促使人类不但制造出包括药品、染料、涂料等生活必需品在内的数千万种有机物，而且还开发了结构上基本以碳为主链的三大合成材料—塑料、橡胶和合成纤维,这些合成材料为人们创造了一个绚丽多彩的新世界并且在衣食住行方面大大地提高了人类的生活水平。
1989年“科学”（Science）杂志开始创办“年度分子”（The Molecule of the Year） 栏目，评选当年最具影响力的分子，这一分子也被称之为“明星分子”。1990年被选中的是人造金刚石，所以当年也因此被称为钻石年。1991年又授给了碳60 (C60)（又被称之为巴基球（Buckyballs）、富勒烯（Fullerenes）等）。在仅有6年的“年度分子”评选中，碳元素就连续获得了两次。1996年起，该栏目变更为年度突破（Breakthrough of the Year），即评选当年的十大科学成就，石墨烯的应用又于2009年被列于其中。基于发现零维富勒烯和一维纳米碳管以及对二维石墨烯的分离、认定和分类，这三种碳材料的研究者分别获得1996诺贝尔化学奖、2008年Kavli纳米科学奖和2010诺贝尔物理奖 。以上这些都说明，近三十年来，人类进一步加快了对各种类型碳的同素异性体的理解、研究和开发，并且取得了长足的进步，而这些进步将为人类广泛利用碳的特异性能开拓出无可限量的前景。
今天碳质材料及各种碳化合物对人类来说已成为生产和生活中不可或缺的材料。鉴于碳的化合物多样，加上其性能独特、形态众多、资源丰足、良好生物相容性以及碳质材料加工制造的低能耗和不锈不蚀、易于回收循环和转化等特点，今后其开发速度必将加快，而碳材料的发展也必然会进一步加速。传统炭材料继续生产,新型炭材料更为成熟,功能材料(特别是纳米碳质材料)将大力开发, 碳的合成化学会进一步发展。难怪有不少学者认为：19世纪是铁器时代，20世纪是硅的时代， 而21世纪有可能是碳的时代！
用35 吨炭纤维增强复合材料 石墨烯制的100GHz晶体管
的波音787客机
实在抱歉，本文原图不是这样的，复制到博文上图形就变了，而且还修改不了。请高人指导一下。
精选 已有 682 次阅读 2011-3-20 16:00 |系统分类:科普集锦|关键词:office style
碳还会带来新的惊喜吗?
-兼谈碳有多少同素异形体
早年人们认为碳的同素异形（性）体只有石墨和金刚石，然而近30年来，人造金刚石、零维富勒烯、一维纳米碳管以及二维石墨烯这些新的碳同素异形体的发现、获得以及各自特殊性能的研究给我们带来不断的惊喜，碳元素多次成为“明星分子”。碳还能继续带来新的惊喜吗? 其实，胡盛志老师在他的博文“从球碳C60到石墨烯: 会有下一个碳明星分子吗？”一文中就经已做了很好的答复。碳元素完全有可能再次成为“明星分子”，也将给我们带来更多的惊喜，其原因就在于碳有无穷无尽的同素异形体，而其中大多数我们现在都还没得到，其性能更是不很清楚，新的碳同素异形体的研究和开发，就完全有可能给我们再次带来新的惊喜。
碳为什么能形成同素异形体？
我们知道，碳的原子序数为六，共有6个电子。碳原子在基态时,其电子在能量从低到高的电子层内配置为：第一层的1s2有两个核心电子；第二层的2s2和2p2有4个更弱的能成键的电子，被称为价电子，它们在形成碳单体和化合物的价键中起重要作用。绝大多数情况下，碳原子2s电子亚层中的一个电子可受激发跳到2p电子亚层的一个空轨道中。这样就形成2s和2px 、2py和2pz四个能成键的价电子。然而，这4个轨道在不同情况下又会相互混杂成杂化原子轨道。在sp杂化时，碳原子2s的一个轨道只和2p的一个轨道，例如2px进行杂化形成sp杂化轨道，它们在键合时形成两个σ键，而剩下的2py和2pz，则会形成2个π键。碳原子以σ键结合时，两原子间的电子云在轨道的长轴方向结合，即形成头对头的叠合；而以π键结合时，则在轨道的长轴方向平行靠拢，即成为肩并肩的叠合。在sp2杂化时，碳原子2s的一个轨道和2p的两个轨道，例如2px和2py进行杂化形成sp2杂化轨道，形成3个σ键，而剩下的2pz，则会形成一个π键；而在sp3杂化时，碳原子2s的一个轨道和2p的全部3个轨道杂化，形成4个σ键。π轨道的π电子在碳材料中起着独特的作用，σ电子可说是形成物质的骨架基础，而π电子则是发挥物质功能的根源。这点以后将专文介绍。
总之，碳原子的6个电子中能成键的4个电子，随其占有轨道的不同组合，在碳原子相互结合或与其他原子形成化合物时，基本上可以产生三种不同的化学键，即单键、双键和三键。包括地球在内的宇宙时空内有丰富的碳单质和碳的各种化合物，它们都是这些杂化碳原子的产物。
碳与同在周期表中笫四族的硅和锗不同，它除了内部有1s2轨道、只含两个核心电子外再没有其它内部轨道，因此可以形成包括sp在内的、n=1-3的三种spn杂化。硅和锗的原子序数更大，电子层更多，受内层其它内部轨道所影响，只能形成sp3杂化而没有sp2和sp杂化，它们也只能形成sp3杂化的一种立方固体基态，由于它们的结合半径比碳原子更大而不能形成稳定的双键。这也正是硅和锗不能像碳那样，形成大量有机化合物和众多同素异性体的原因。比碳原子结合半径更小的氮和氧等有可能形成多重键，但它们能成键的价电子数少，这就意味着可形成的结构数少。因此，周期表的所有元素中唯一只有碳是能形成更多价键的原子，也只有碳元素才能形成更多的结构，是能有更多变化和更多同素异形体的元素。正是由于在原子间有独特的链接能力，使得碳原子能形成链，环和网状等各种各样的结构。
Heimann等德、俄、日的3位学者于1997年共同将各种已被证实、假设和推理可能存在的各种碳的同素异形体总包在一平面三角形的碳键杂化图中(图1)。三角形顶点分别代表sp3、sp2和sp杂化碳原子单独形成的所谓“原型”(archetypical)同素异性体：金刚石、石墨和炔碳。而三角形边线则由被看作是由spn 组成(1﹤n﹤3) 的包括各种中间形态的碳，在三角形内部则为具有不同程度三种杂化碳原子混合形成的各种无定形碳。 例如，各种富勒烯和碳纳米管都位于sp3-sp2三角线上，随五员环(P)和六员环(H) 的环数比不同，各种富勒烯位于该线的不同位置。P/H=0相当于纯石墨，而P/H=∞时则相应于全五员环的碳簇C20。理论上C20是一种类金刚石的富勒烯，由于违反了隔离五员环的规则，它很不稳定，易崩裂成金刚石结构，用激光蒸发源选择产生C20附近大小分布的碳簇时，就可形成几乎是纯sp3杂化碳原子的类金刚石碳。C60的P/H=0.6，而其杂化程度相当于Sp2.28。
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杂化程度为1﹤n﹤2的碳，包括近年来通过不同方法合成的单环环状(N)碳,其环中碳原子数N=18、24、30…等处于sp-sp2连线上。由sp2形成的六员碳环被n的-C≡C-连接键合而成的石墨炔(Graphynes)也在这一边线上。笫三边sp-sp3线上的碳是目前了解得最少的部分。例如石墨通过冲击波转变成金刚石时短暂呈现的一种相，相应于所谓一维超级金刚石的假设结构-聚炔-金刚石，被认为是由皱折的类金刚石层组成，其中稠密的碳环呈发状构型、被垂直于层面短的sp型碳链连接在一起。在这一边线上还可能存在3D-超级金刚石晶格碳。
位于三角形内部的碳是以各种方式结合, 由三种杂化形式以不同比例混合而成。例如各种无定形碳和玻璃碳等，它们的结构十分复杂，可能拼合有任意分布的、中间杂化态的结构单元，其结构和数量随合成的方法和条件而定。在这一区域内还可能包括更复杂的由混合和中间态结构两种单元组成的碳。从这一图可以看出，其中大多数的碳我们现在都还没能得到，其性能更是不很清楚，这方面的研究还有极大的空间，很可能会带来一些意想不到的结果。
在上面的三角形图中，因为只谈及碳的同素异形体，所以完全没有考虑氢原子的存在。由有机物热处理转化成的大量炭材料，以及由化学气相沉积(CVD)法形成的类金刚石薄膜等，都还含有微量的氢原子，其C/H比多在10以上，因此我们考虑：如果加上氢原子在碳氢化合物中的作用，就可以在原来仅有碳的平面三角形图中加上氢原子对C/H的影响(图中各烃类后的数字为碳氢原子数比)，从而可形成如图2的正四面体图。图中含有不同微量氢的各种炭材料则处于逐渐接近底面、三角形纯杂化碳键图的上部，处于由黑粗线所包围的有一定厚度的阴影三角形内。
图2. 碳和炭的正四面体相图(a)和有关烃类的分子构型(b)
从这一立体图可看出各种有机烃类向炭(C/H>10)和纯粹碳物质的转化，如经甲烷、60烷、金刚烷和立方烷向金刚石的变化；经乙烯、丁二烯、苯、丁省、晕苯和卵苯向石墨的变化；经乙炔和丁二炔向卡宾的变化等。
碳原子的特异性使得碳的同素异形体如同碳的化合物一样，多种多样、无穷无尽，其性能也千变万化。每一次新的碳同素异形体的发现，均带动和开拓出无数研究和开发应用的新领域。今后各种碳的同素异形体有可能和碳所形成的各种有机化合物一样，在无机材料方面发挥出其独特而重要的作用，加强对新型碳同素异形体的研究，必将大大推动“材料碳”在新材料领域的开发和应用，也必将给我们带来更多新的惊喜！
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