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，從這個名稱中，我們就能體會到碳對數十億年的生命史所具有的重要意義。而在當今這個時代里，從由二氧化碳排放引起的溫室效應到碳達峰和碳中和，有關碳的話題也經常會吸引人們的廣泛關注。其實，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。

在兩位知名天文學家西奧多·P.斯諾和康·布朗利合作完成的 《第六號元素》 一書中，我們能在他們的筆下體驗一場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處不在。

鋼鐵

碳的一個不可忽視的用途是制造鋼鐵。鋼鐵生產始于大約4000年前的鐵器時代初期。早在還沒有任何科學方法被用來擴展技術之前，工匠們就已經開始生產鋼鐵了。關于如何利用金屬材料來制造最好的最終產品，有大量的神話和民間傳說。它們表明，用鋼鐵來制造劍、刀和堅固工具的技術隨著時間的推移而進步。

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度和物理性能。鐵作為元素周期表中的第26號元素，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固耐用，有時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燃燒化石燃料獲得的，而且冶煉鐵的過程需要碳與鐵礦石發(fā)生化學反應。從鐵礦石分子中提取單個鐵原子，需要不止一個碳原子參與這種化學反應：鐵礦石中原本與鐵結合的氧與碳反應生成一氧化碳或二氧化碳氣體，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)生產優(yōu)質鐵需要通過燃燒煤炭獲得的高溫和能量輸出。通常，這是通過使用熱處理后的煤來實現的，這些煤被轉化為一種更純凈形式的碳——焦炭。世界各地發(fā)現的大量煤炭推動了鋼鐵在工業(yè)革命中的驚人使用。

在我們從洞穴生活上升到現代世界的過程中，鋼的強度、耐用性和成形性發(fā)揮了關鍵作用。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、標志和燈柱。如果鐵中的碳含量在2%~4%，它就會變成鑄鐵，雖然很脆，但具有許多有價值的特性，可以鑄造成模具。自從2000 多年前在中國發(fā)明以來，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。這類巖石對我們來說非常重要，因為它被用來制造水泥。自羅馬時代以來，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，這就是現代世界的基礎。在未來10年內，人類制造的混凝土的累積質量將超過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。混凝土和鐵，雖然在很大程度上被人們熟視無睹，卻是使現代生活成為可能的神奇材料。它們結合在一起是因為混凝土梁和柱的內部必須有鋼筋，才能提供現代建筑所需的抵抗地震應力的強度。生產水泥帶來的二氧化碳排放約占世界總排放量的5%。大約有1/2的溫室氣體來自燃燒用于加熱石灰石的化石燃料，另外1/2來自碳酸鈣向氧化鈣的化學轉化。除此之外，還需要額外的能量來混合這些重型材料并將其運輸到安裝現場。

▲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）。“塑料”是指眾多基于碳氫化合物的、不同形式的、可延展或堅硬的材料。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結構組成的鏈。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，是纖維素塑料的基礎。1838年，法國化學家安塞姆·佩恩首次從植物 中分離出纖維素。纖維素是一種堅硬且難以消化的物質，被用于造紙和制衣，高纖維飲食中當然更是富含纖維素。

冶金學家亞歷山大·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，特別是臺球中的象牙制品。這 種物質最初被命名為“Parkesine”，于1862 年在倫敦國際博覽會上展出。但這個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”）。現在，這種材料已不怎么廣泛使用了，但在20世紀，這種甲醛樹脂塑料曾得到廣泛使用，例如被用作電絕緣體、真空管插座和無軌電車上的電線絕緣座等。含有真空管的舊電子產品總有一股“電氣味”，通常就是由于膠木的存在。如果你把頭伸進一架第二次世界大戰(zhàn)時期的老式轟炸機的駕駛艙，雖然經過半個世紀的風干，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，被烤熱的膠木就會散發(fā)出強烈的“熱的電子器件”的特征氣味，這是一個過去時代的氣味。

▲膠水的分子結構

塑料有許多用途都是眾所周知的，列一份清單的話可能長達數頁。幾乎每個人都使用食品袋、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，也就不會有一次性尿布、吸管杯或奶嘴。現在，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、汽車保險杠、碳纖維飛機等。

塑料使電影成為可能。為數十億人帶來音樂和圖像的唱片、錄音帶、錄像帶、CD（緊湊型光盤）和DVD（多用途數字光盤）等也是用塑料制成的。許多用于音樂、電影、軟件和數據備份的存儲介質都曾是磁盤形式的。隨著我們越來越深入數字時代，信息被存儲在云端，或者至少存儲在服務器上，早先那些塑料磁盤注定會被丟棄和遺忘，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，是數百萬年前在地球上自然形成的。塑料也可能出現在其他天體上。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（可以通過器物底部的回收代碼“5”來識別）。

膠帶

如果沒有這樣或那樣的膠帶，我們的生活將比現在混亂。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，早在它被用來包裹木乃伊之前就有了，但其發(fā)展過程中的重大進展則發(fā)生在20世紀 20年代。這要歸功于3M公司，它是一家生產砂紙的公司。這種新膠帶被用在給汽車噴漆的過程中，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，在第二次世界大戰(zhàn)期間出現了“鴨子膠帶”（Duck tape，防水膠帶），因為它能夠像鴨子一樣分水。對于它的發(fā)明，似乎有兩方都聲稱擁有發(fā)明權。第一個是3M公司的工程師理查德·德魯，第二個是第二次世界大戰(zhàn)期間強生公司的子公司，該公司用它來防止?jié)駳膺M入彈藥箱。這兩項發(fā)明似乎是相互獨立地做出的。后來，“強力膠帶”（duct tape，管道膠帶）一詞被用于推廣，這種膠帶是密封通風管道接頭的一種手段。強力膠帶經過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，從書頁到美元紙幣。隨后，生產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（由重復的分子單元構成的長鏈）作為黏合劑。聚合物由碳原子骨架構成，通過共價鍵連接在一起。特氟龍（現代炊具的制作材料之一）就是由碳基分子構成的。特氟龍是一種具有眾多獨特性能的塑料，其歷史比大多數人知道的都要長，其學名叫聚四氟乙烯（PTFE）。像許多化工產品一樣，特氟龍也是偶然被發(fā)現的。1938年，一家名為動力化學品的公司（后來并入杜邦公司）的化學家羅伊·普倫基特用化學冷卻劑做實驗時，偶然發(fā)現了聚四氟乙烯這種物質。1945年，他以特氟龍這個名字命名了這種材料。與此同時，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（商標名，俗稱維可牢尼龍搭扣或魔術貼），它是由尼龍纖維制成的，也是碳基的。它的發(fā)明年代也比大多數人認為的要早：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。他覺得這個東西很有用。魔術貼有兩面，一面帶鉤子，另一面是鎖扣。當雙方相遇時，鉤子嵌入鎖扣的“海洋”中，因此很難將兩個表面撕開。與粘在狗毛上的毛刺相比，合成纖維具有很大的優(yōu)勢，因為它們可以反復使用。

我們都知道這種魔術貼，因為它無處不在。事實證明，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將魔術貼用在任何地方：在失重狀態(tài)下，物體往往會飄浮，而魔術貼是一種簡單的應對方法。也許你能用魔術貼上玩的最有趣的事是“魔術貼跳躍”。如果你穿上一件一面帶有魔術貼的夾克，那么當你向覆蓋著魔術貼另一面的墻跳過去時，你就會粘在墻上。

（本文摘編自《第六號元素》第6章“碳有什么用處？”，標題為編者所加）

書名：第六號元素

?♂? 作者：[美]西奧多·P.斯諾 [美]唐·布朗利著 翻譯：王文浩

內容簡介

元素周期表中的第六號元素是什么？

氫氦鋰鈹硼……是碳。

沒錯，提到碳，你會先想到什么？

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

碳無處不在。它是地球生命的基石，更為人類社會奠定了基礎。從過去到現在，再到遙遠的未來，各種形式的碳對地球、生命、人類有著無可匹敵的深遠影響。

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

天文學家西奧多·斯諾和唐·布朗利帶我們踏上了一段跨學科的探索旅程，以宇宙學的宏大視角，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。