我们真的无法想象离开这种元素的生活

人类是碳基生命，我们已知的所有生命形式也都是碳基生命，从这个名称中，我们就能体会到碳对数十亿年的生命史所具有的重要意义。而在当今这个时代里，从由二氧化碳排放引起的温室效应到碳达峰和碳中和，有关碳的话题也经常会吸引人们的广泛关注。其实，即便我们不去考虑生命演化和环境变化这样宏大的主题，碳也与我们的生活息息相关。

在两位知名天文学家西奥多·P.斯诺和康·布朗利合作完成的 《第六号元素》 一书中，我们能在他们的笔下体验一场从宇宙诞生到地球演化、从生命起源到人类文明的非凡旅程，见证碳这种元素如何真正塑造了我们的世界。而在下面这段文字中，我们就能看到，从钢铁到水泥，从塑料到胶带，碳的身影在我们的日常生活中也是无处不在。

钢铁

碳的一个不可忽视的用途是制造钢铁。钢铁生产始于大约4000年前的铁器时代初期。早在还没有任何科学方法被用来扩展技术之前，工匠们就已经开始生产钢铁了。关于如何利用金属材料来制造最好的最终产品，有大量的神话和民间传说。它们表明，用钢铁来制造剑、刀和坚固工具的技术随着时间的推移而进步。

钢是一种金属铁的合金，其中掺有少量的碳和其他元素。这些掺杂可以显著提高合金的强度和物理性能。铁作为元素周期表中的第26号元素，是一种用途极为广泛的材料。它被用在建筑、桥梁、铁轨、船舶、螺栓中，以及用于制造那些必须坚固耐用，有时甚至非常锋利的东西。从铁矿石（氧化铁）中提取金属铁需要消耗大量的能量，这些能量通常是通过燃烧化石燃料获得的，而且冶炼铁的过程需要碳与铁矿石发生化学反应。从铁矿石分子中提取单个铁原子，需要不止一个碳原子参与这种化学反应：铁矿石中原本与铁结合的氧与碳反应生成一氧化碳或二氧化碳气体，这些气体逃逸后便留下金属铁。最初的铁是用木炭冶炼的，但工业生产优质铁需要通过燃烧煤炭获得的高温和能量输出。通常，这是通过使用热处理后的煤来实现的，这些煤被转化为一种更纯净形式的碳——焦炭。世界各地发现的大量煤炭推动了钢铁在工业革命中的惊人使用。

在我们从洞穴生活上升到现代世界的过程中，钢的强度、耐用性和成形性发挥了关键作用。要把金属铁变成钢，你需要添加适量的碳。要炼成钢，需要在铁中加入0.2%~2%的碳。如果铁中的碳含量较少（小于0.2%），这种铁就叫熟铁，如今用于装饰，如用于围栏、标志和灯柱。如果铁中的碳含量在2%~4%，它就会变成铸铁，虽然很脆，但具有许多有价值的特性，可以铸造成模具。自从2000 多年前在中国发明以来，铸铁就被广泛使用。

▲钢铁材料

水泥

世界上大部分近地表的碳并不是包含在化石燃料、大气或生物体中，而是被锁在碳酸盐中。这类岩石对我们来说非常重要，因为它被用来制造水泥。自罗马时代以来，水泥就是一种宝贵的建筑材料。如果将石灰石（碳酸钙）加热到1400 摄氏度以上，那么此时碳已被排出，主要留下的是白色的石灰（氧化钙）。石灰与其他材料混合形成水泥。水泥与沙子、岩石和水混合后，形成混凝土，这就是现代世界的基础。在未来10年内，人类制造的混凝土的累积质量将超过我们星球上的生物量。如果没有钢筋加固的混凝土，我们的世界将完全不同。混凝土和铁，虽然在很大程度上被人们熟视无睹，却是使现代生活成为可能的神奇材料。它们结合在一起是因为混凝土梁和柱的内部必须有钢筋，才能提供现代建筑所需的抵抗地震应力的强度。生产水泥带来的二氧化碳排放约占世界总排放量的5%。大约有1/2的温室气体来自燃烧用于加热石灰石的化石燃料，另外1/2来自碳酸钙向氧化钙的化学转化。除此之外，还需要额外的能量来混合这些重型材料并将其运输到安装现场。

▲水泥铺成的路面

塑料

塑料有很多不同的形式，从易碎的（如塑料刀叉）到非常柔软的（如橡皮筋）。“塑料”是指众多基于碳氢化合物的、不同形式的、可延展或坚硬的材料。这些材料的硬度取决于聚合物之间的分子键，所谓聚合物就是指那些重复结构组成的链。有些塑料能在温度变化下保持不变，而另一些（热塑性塑料）则可以随着温度的改变而改变形状，并被加工成不同的形状。

纤维素是一种天然的碳基物质，是纤维素塑料的基础。1838年，法国化学家安塞姆·佩恩首次从植物 中分离出纤维素。纤维素是一种坚硬且难以消化的物质，被用于造纸和制衣，高纤维饮食中当然更是富含纤维素。

冶金学家亚历山大·帕克斯于1856年创造了第一种人造塑料，用作象牙的替代品，特别是台球中的象牙制品。这 种物质最初被命名为“Parkesine”，于1862 年在伦敦国际博览会上展出。但这个名称没用多久就废弃了。

1907年，莱奥·贝克兰发明了一种合成塑料并获得了专利，他将自己的发明命名为“Bakelite”（贝克莱特酚醛树脂，俗称“胶木”）。现在，这种材料已不怎么广泛使用了，但在20世纪，这种甲醛树脂塑料曾得到广泛使用，例如被用作电绝缘体、真空管插座和无轨电车上的电线绝缘座等。含有真空管的旧电子产品总有一股“电气味”，通常就是由于胶木的存在。如果你把头伸进一架第二次世界大战时期的老式轰炸机的驾驶舱，虽然经过半个世纪的风干，但你仍然可以从它的胶木中闻到明显的甲醛味。所有的真空电子管通电后，灯丝发光发热，被烤热的胶木就会散发出强烈的“热的电子器件”的特征气味，这是一个过去时代的气味。

▲胶水的分子结构

塑料有许多用途都是众所周知的，列一份清单的话可能长达数页。几乎每个人都使用食品袋、水杯和拉链（以及拉链袋）。想想玩具行业吧！如果没有塑料，你的童年将大不相同，也就不会有一次性尿布、吸管杯或奶嘴。现在，你到处都能看到塑料制品——衣服、电视、盘子和眼镜、杯子、房屋外墙、汽车保险杠、碳纤维飞机等。

塑料使电影成为可能。为数十亿人带来音乐和图像的唱片、录音带、录像带、CD（紧凑型光盘）和DVD（多用途数字光盘）等也是用塑料制成的。许多用于音乐、电影、软件和数据备份的存储介质都曾是磁盘形式的。随着我们越来越深入数字时代，信息被存储在云端，或者至少存储在服务器上，早先那些塑料磁盘注定会被丢弃和遗忘，就像人们丢弃之前的IBM打孔卡一样。

▲塑料制成的唱片

但是，像琥珀这样由树液形成的塑料，是数百万年前在地球上自然形成的。塑料也可能出现在其他天体上。NASA就曾宣布在土星的巨型卫星土卫六的大气层中发现了丙烯。聚合的丙烯被称为聚丙烯，是一种广泛制造的塑料，用于制作容器（可以通过器物底部的回收代码“5”来识别）。

胶带

如果没有这样或那样的胶带，我们的生活将比现在混乱。最初的胶带是由布或纸做的，但今天的许多胶带都是由塑料制成的。胶带的发明发生在古代，早在它被用来包裹木乃伊之前就有了，但其发展过程中的重大进展则发生在20世纪 20年代。这要归功于3M公司，它是一家生产砂纸的公司。这种新胶带被用在给汽车喷漆的过程中，以防止不同颜色的油漆混合在一起，它被称为遮蔽胶带。后来，在第二次世界大战期间出现了“鸭子胶带”（Duck tape，防水胶带），因为它能够像鸭子一样分水。对于它的发明，似乎有两方都声称拥有发明权。第一个是3M公司的工程师理查德·德鲁，第二个是第二次世界大战期间强生公司的子公司，该公司用它来防止湿气进入弹药箱。这两项发明似乎是相互独立地做出的。后来，“强力胶带”（duct tape，管道胶带）一词被用于推广，这种胶带是密封通风管道接头的一种手段。强力胶带经过特殊处理后具有更好的性能，如耐热性。

透明胶带也称为苏格兰胶带，是由前述的理查德·德鲁于1930年发明的。这种玻璃纸胶带可以透光，用在任何类型的撕破的纸上都非常方便，从书页到美元纸币。随后，生产便利贴的公司推出了一种胶带，它可以粘在任何东西上，但又可以很容易地取下。

任何类型的胶带都含有碳。即便是金属胶带，也需要一种聚合物（由重复的分子单元构成的长链）作为黏合剂。聚合物由碳原子骨架构成，通过共价键连接在一起。特氟龙（现代炊具的制作材料之一）就是由碳基分子构成的。特氟龙是一种具有众多独特性能的塑料，其历史比大多数人知道的都要长，其学名叫聚四氟乙烯（PTFE）。像许多化工产品一样，特氟龙也是偶然被发现的。1938年，一家名为动力化学品的公司（后来并入杜邦公司）的化学家罗伊·普伦基特用化学冷却剂做实验时，偶然发现了聚四氟乙烯这种物质。1945年，他以特氟龙这个名字命名了这种材料。与此同时，普伦基特重新开始研究冷却剂，如氟利昂和汽油添加剂，以及其他含碳化合物冷却剂。1973年，普伦基特入选塑料名人堂。

▲胶带

与普通塑料具有光滑表面的特性相反，有一种塑料具有非常高的黏性，那就是Velcro（商标名，俗称维可牢尼龙搭扣或魔术贴），它是由尼龙纤维制成的，也是碳基的。它的发明年代也比大多数人认为的要早：1941年。那一年，瑞士发明家乔治·德梅斯特拉尔注意到，他家狗的毛上粘有带毛刺的东西。他觉得这个东西很有用。魔术贴有两面，一面带钩子，另一面是锁扣。当双方相遇时，钩子嵌入锁扣的“海洋”中，因此很难将两个表面撕开。与粘在狗毛上的毛刺相比，合成纤维具有很大的优势，因为它们可以反复使用。

我们都知道这种魔术贴，因为它无处不在。事实证明，它的许多用途都非常重要，比如帐篷、皮带、鞋子、背包、公文包、地板上的地毯、墙面上的窗帘附件、尿布等。NASA将魔术贴用在任何地方：在失重状态下，物体往往会飘浮，而魔术贴是一种简单的应对方法。也许你能用魔术贴上玩的最有趣的事是“魔术贴跳跃”。如果你穿上一件一面带有魔术贴的夹克，那么当你向覆盖着魔术贴另一面的墙跳过去时，你就会粘在墙上。

（本文摘编自《第六号元素》第6章“碳有什么用处？”，标题为编者所加）

书名：第六号元素

‍♂️ 作者：[美]西奥多·P.斯诺 [美]唐·布朗利著 翻译：王文浩

内容简介

元素周期表中的第六号元素是什么？

氢氦锂铍硼……是碳。

没错，提到碳，你会先想到什么？

是煤炭、石油这些现代人类社会赖以维系的能量来源——化石燃料，还是碳纳米管、富勒烯这些经常出现在科技新闻里的新词？又或者，你可能会首先想到碳中和、碳排放、碳捕集、碳封存、温室效应？

碳无处不在。它是地球生命的基石，更为人类社会奠定了基础。从过去到现在，再到遥远的未来，各种形式的碳对地球、生命、人类有着无可匹敌的深远影响。

不过，你可能没有意识到这一点：尽管碳在太阳这样的恒星中含量丰富，但平均到整个地球来看，碳实际上是一种稀有元素。我们生活在一个富含碳的环境中，而这个环境位于一个贫碳行星的表面！这是如何发生的？

天文学家西奥多·斯诺和唐·布朗利带我们踏上了一段跨学科的探索旅程，以宇宙学的宏大视角，回顾碳从宇宙诞生到地球演化、从生命起源到人类文明的非凡旅程。

读完这本书，你将明白，奇妙的碳元素如何在最宏大的意义上真正塑造了我们的世界。