碳的高贵与世俗

麦　笛

硬度第一的金刚石，因其罕见而价格昂贵。如经工匠琢磨成钻石，更是世间至宝。5000年前人类就从自然界获取了金刚石，却一直不知道它由何种元素构成。直到1704年，英国科学家牛顿证明了金刚石具有可燃性，以后又经法国科学家拉瓦锡（1792年）、英国科学家腾南脱（1797年），用实验证明了金刚石和石墨是碳的同素异形体，这才弄清楚金刚石是由纯净的碳元素形成的一种单质。

1799年，法国化学家摩尔沃把一颗金刚石转化成了石墨。这激发了人们的逆向思维，能不能把石墨转化成金刚石呢？如果能够实现，则无异于“点石成金”。此后的100多年里，科学家们进行了很多有益的探索，最终，法国科学家莫瓦桑利用自己发明的高温电炉取得了一定成效。他先试验制取氟碳化合物，再除去氟制取金刚石，没有成功。后来他设想利用他的高温电炉，把铁化成铁水，再把碳投入熔融的铁水中，然后把渗有碳的熔融铁倒人冷水中，借助铁的急剧冷却收缩时所产生的压力，迫使内中的碳原子能有序地排列成正四面体的大晶体。最后用稀酸溶去铁，就可拿到金刚石晶体。

这个设想在当时看来，既科学又美妙，促使莫瓦桑和他的助手一次又一次地按这个构想方案做试验。1893年2月6日，他终于看到了他梦寐以求的希望之星。当他和助手用酸溶去铁后，在石墨残留物中，竟有颗0.7mm的晶体闪闪发光！经检测这颗晶体真的是金刚石。现在，世界各国纷纷改进工艺，希望能生产出更多的人造金刚石。

不论是金刚石还是石墨，都是碳。碳是一种很常见的元素，它有三种同位素，即稳定的同位素12C、13C和放射性同位素14C，其中最常见的是12C。14C在考古学上有重要的用途，由于它是放射性元素，不断地放出β射线，最终变为14N，所以检测物品中14C的含量再根据14C的半衰期（大约是5730年）就可以推算出物品所处的大致年代。

碳元素形成的单质主要有金刚石、石墨以及俗称足球烯的C60，常见的木炭、活性炭也是一些含有杂质的碳单质。金刚石主要用作装饰品，因其硬度最高也可用作钻头、切割用具等；石墨与粘土用于制造铅笔，石墨本身结构特殊，熔点很高，有导电性，故广泛用作耐火材料和特殊行业的导电材料。如今，科学家又制得了C70，当置于一个强磁场中时，C70单晶体的表面会聚集相当数目的自由电子，当温度超过1.7K时，这种晶体显示出超导性。

碳与硅形成的化合物碳化硅也具有很高的硬度，中学化学上提到，根据形成的共价键的牢固程度，金刚石、碳化硅、硅晶体的硬度、熔沸点等依次降低。事实的确如此。碳化硅俗名金刚砂，莫氏硬度约为9.2，仅次于金刚石，而且导热率很高，热膨胀率小，在高温下（1000℃左右）仍然保持固有的硬度和强度，因此可以应用做各特种行业上磨料、耐火材料等。

含碳化合物多是有机物，由于碳原子最外层有四个电子，所以碳可以形成多种结构复杂的链状或者环状化合物。甲烷是结构最简单的有机物，也是一种清洁的燃料气体，沼气和天然气的主要成分就是甲烷。

我们日常食用的食物，无论是糖类、脂肪、还是蛋白质，其实都是以碳为骨架形成的一系列有机物。科学家们很早就设想，可不可以通过某些途径人工合成食物呢？

事实上，维生素、甜味剂等很多物质，已经开始了人工合成。1990年代初期，法国的科技人员公布了用石油为原料制出了一系列与天然食物所含成分相似的物质的消息。令人始料不及的是，由于缺乏细节上的逼真，这些“食物”吃起来味同嚼蜡，除了理论上的营养价值之外，与想象中色香味俱全的大餐相去甚远。

有人指出，食物合成技术跟克隆技术一样，从某种意义上，都是违背伦理学的，即使有一天，人类真的能够以化工原料制出香喷喷的法式面包、诱人的巴西烤肉甚至琳琅满目的“满汉全席”，食用后的结果同样难以预料。有机物复杂机构中一点细微的变化，都可能导致性质的巨大改变，更何况，以人体脆弱的免疫系统而言，到时是否会产生更加复杂的“食物病”就更不好说了。因此，让碳等相关元素在生活中发挥更大主导作用的设想，显然要经受来自实践和时间更多更长的检验。

编辑/梁宇清