最近开学季，不知道我们粉丝里有没有北京化工大学的新生，我对你们今年收到的这个录取通知书很好奇，怎么能切肉切西瓜，火烤掰弯都没事的—— 这是不是有点过于抗造了。图源：up主WH_Ryu 北化说他们用的这“黑科技”叫碳纤维，碳纤维是我认识的那个碳“做的东西”吗？我们脆皮年轻人也是碳基生物啊咋不能那么抗造？
二氧化碳，从哪儿呼出来？ 大家都知道，人的呼吸就是吸入氧气、呼出二氧化碳。那么，呼出来的二氧化碳“废气”，是从哪儿来的呢？ 二氧化碳CO2，是碳元素C的一种氧化物。人体内的碳元素约占体重的18%，比例仅次于氧元素。组成人体的几类有机物——蛋白质、脂肪、核酸和多糖，都含有碳。人体新陈代谢时，不断有新的有机物形成、旧的有机物分解；作为分解产物之一的二氧化碳，便随呼吸排出体外。
对人和动物来说，呼出来的二氧化碳就没用了，浓度太高还会中毒。而绝大部分绿色植物和藻类，除了呼吸还有“光合作用”这个大招，能捕获空气中的二氧化碳，用体内的叶绿体把二氧化碳和水转换成有机物，并释放出氧气。 依靠叶片中的叶绿体，绿色植物能在阳光下把二氧化碳和水，转化为氧气和有机物（葡萄糖），这就是滋养了绝大部分碳基生命的“光合作用”。
绿色植物和藻类“生产”的有机碳，既供给自己生长所需，又是人和动物、以及真菌等其他生命的食材，奠定了整个地球生态的基础。
我们为啥叫“碳基生物”？ 作为网络梗重度玩家，我看大家的评论时经常想说“这是碳基生物能想出来的回复吗？” 由于碳对生命如此关键，地球生命被称作“碳基生命”。不过它也仅在元素周期表排第6号、在地球所有元素中含量仅排第15名，为何是它孕育了生命？ 原因在于碳的“万能积木”属性。
碳原子的最外层有4个电子，还需要4个电子才能获得8电子的稳定结构。因此碳原子相当于拥有4个“插孔”，能形成多种多样的“化学键”。 甲烷分子CH?，由1个碳原子与4个氢原子组成 碳原子用这些键，与其他原子（可以是碳原子或其他元素的原子）相结合，就能像搭积木一样“搭”出千变万化的分子形态。相比之下，地球上更丰富的氢、氧两种元素，分别只能形成1个和2个化学键，“可塑性”差了太多。
而且碳原子不但化学键多，键的“结实程度”还刚好。 许许多多的碳原子“手拉手”形成复杂的长链，再盘曲折叠，就组成种类无限、变化无穷的有机大分子——分子量可达几十万、几百万，如同用一块块砖头搭建高耸入云的大厦，为转运核糖核酸的大分子。 借助精妙复杂的化学键，碳元素开创了“有机物”的新世界。
哪怕除去生命这个领域，有机化学的内容依然无穷无尽：从甲烷、乙烯、酒精到淀粉、橡胶、塑料，这些看似毫不相干的物质，都由碳一手组建。
构成人体本身的碳元素，也是人类文明的基石。人类最早的科技之一“用火”，就是点燃植物体内的碳，释放光和热。写字用的墨水，也因为里面有碳单质或含碳色素，才能留下字迹。 工业革命和现代文明，更是依赖碳的“超时空储能”。
远古的绿色植物、浮游生物遗骸沉入地下或海底，其中一些历经亿万年地质变迁，转化为煤炭、石油和天然气。这些“化石燃料”为人类提供了工业能源，直接推动了这200多年来的科技起飞。在新能源蓬勃发展的今天，化石燃料仍是各国的经济命脉。 石油的形成过程以生物沉积变油学说为主流观点，认为石油是古代海洋生物遗体在特定地质条件下，经过长期演化形成的。这一过程涉及微生物作用、加压、加热等多个环节。
也有无机成因说，不过组成石油的主要成分一定是碳氢化合物。
碳既能与其他元素形成化合物，也常以单质形式独自存在。由于化学键千变万化，碳的单质形态不下几十种（称为“同素异形体”），最典型的就是石墨和金刚石，以及石墨烯、富勒烯。 金刚石 | 石墨 富勒烯 | 石墨烯 01石墨是铅笔芯的主要成分，能写字是因为它脆：它的微观结构是片层状，每个碳原子只与另3个相连，空余一个化学键。
每层的内部结构非常坚固，但层与层之间容易滑动。这让它脆弱易碎，碎掉的粉末就成了字迹。金刚石则是另一个极端：作为已知最硬的天然矿物，它每个碳原子都与另4个相连，微观结构是一个个正四面体紧密堆叠，各个方向都很坚固。金刚石的形成需要高温高压，自然界只有金伯利岩等少数岩层出产。目前全球每年开采天然金刚石26吨左右，只有少数品相好的能当钻石，其余多用于制造工业钻头、砂轮等。
随着人工合成金刚石、包括宝石级钻石的技术不断进步，钻石的“光环”正悄悄褪去。未来的手机屏幕都有可能是金刚石的。0203石墨烯是人工剥离出的单层石墨，厚度只有一个碳原子，近乎“二维”结构，强度极高，导电性能极好。有研究团队打算用两层石墨烯结合，做防弹衣，可以承受钻石尖端的穿孔 。富勒烯是石墨烯的结构发生折叠翻卷，形成的球状或管状结构。目前常见的有足球烯（C60）、巴克球（C70）和碳纳米管等。
碳纳米管是由单层碳原子组成的管状结构（相当于卷成圆筒的石墨烯），1991年才被科学家发现，硬度和韧性极强。科幻小说《三体》中“古筝行动”所用的纳米丝线，就有点类似碳纳米管的性质。04 除了以上4位，碳的同素异形体还有朗斯代尔石、碳纤维、无定形碳（包括煤炭、焦炭、活性炭等）…… 北京化工大学这个录取通知书，就是采用“细如发丝,轻如鸿毛,强如钢铁,贵如黄金”的碳纤维复合材料制成。
碳纤维被誉为工业“黑黄金”，具有质量轻、高比强度、高比刚度、耐高温、耐腐蚀等特性，已被广泛应用于运载火箭、卫星空间站等。而且由北京化工大学材料科学与工程学院先进复合材料研究中心（ACC团队）自主研发的新型碳纤维复合材料制作，厚度仅有0.2mm。2022北京冬奥会的第一台国产碳纤维雪车、冬残奥会轮椅冰壶的碳纤维冰壶推杆也由北京化工大学自主研发设计。
光是它自己，就有这般“多重影分身”，不愧为元素中的变化大师！作为一个碳基生物，或许我没有那张碳纤维录取通知书，也能跟碳纤维似的可塑性强还抗造…… 《博物》杂志「元素志」系列正在连载~ 撰文 | 徐欣宇部分图片 | 图虫创意微信编辑 | 赵之遇本文原载于《博物》杂志9月刊