近年来碳元素研究成果简述

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碳是生命科学中最重要的元素。蛋白质（2014年清华大学成果）、核酸、DNA等有机物是组成生命的重要物质，因此没有碳元素便没有生命。金刚石的人工合成、碳纤维的开发利用，以及石墨层间化合物、富勒烯（1996年诺贝尔化学奖）、石墨烯（2010年诺贝尔物理奖）、聚乙炔（2000年诺贝尔化学奖）、碳纳米管（2014年北京大学成果）和碳纳米泡沫（浙江大学成果）等材料的发现与合成，不对称合成化学（2001年诺贝尔化学奖）、超分子化学、组合化学等与碳元素相关的新兴学科涌现，生物化学、分子生物学、药物化学等学科知识更新速度异常迅速。这些令人瞩目的成就，给人们展现了无限的想象。

・蛋白质 结构生理功能繁多的蛋白质，一直是生命科学研究的热点。

2014年6月清华大学颜宁教授在世界上首次解析了人源葡萄糖转运蛋白GLUT1的晶体结构，揭示了其工作机制及相关疾病的致病机理。同年7月，清华大学施一公院士首次揭示了阿尔茨海默症发病直接相关的人源γ分泌酶复合物的精细三维结构。四川大学科学家发现组蛋白H2B单泛素化参与DNA损伤修复的调控新机制。

・金刚石 原子晶体，C原子间以SP3杂化轨道成键。金刚石的导热性能是铜5倍，其热量是通过原子间振动来传递的，这与金属靠自由电子传递热量不同。常温常压下石墨转化成金刚石是非自发的。1955年美国科学家霍尔在1650℃和95000atm下首次人工合成了金刚石；不久有人用瞬时爆炸产生的高压和急剧升温，也获得了人造金刚石。中科大科学家首先实现了金刚石燃烧的逆过程，即把低能、直线形的CO2变成了正四面体的金刚石。1998年北京大学科学家以CCl4为碳源成功合成金刚石。国外有人用SiC也合成了金刚石。地球上昂贵的金刚石，在巨蟹55星球上金刚石质量是地球质量的3倍。

・富勒烯 C60、C70等具有封闭笼状结构的碳单质称为富勒烯，是分子晶体，C原子间以S0.305P0.695 杂化轨道成键（3条σ键，非共平面），C原子间还以S0.085P0.915 杂化轨道形成п键。分子呈球状，球内球外都围绕п电子云。北京大学也成功合成C60。C60可改善金属性能、作新型催化剂、贮存氢气（C60分子有30条п键，为什么？）、用于超导研究和医学研究、制造高分子材料和记忆材料等。C60是紫红色的分子晶体，不溶于水，在苯、二硫化碳、四氯化碳等中有一定溶解性。

・聚乙炔 将单质碘掺杂在聚乙炔中，比原聚乙炔膜的导电性提高了1000万倍，具有与金属一样的导电性，利用这种材料可制造新型电子器件、可卷曲的电视大屏幕等。这是2000年诺贝尔化学奖成果。

・石墨 混合键型晶体，碳原子以SP2杂化轨道成键，彼此以σ键结合在一起，可以认为石墨是由许多层石墨烯以范华力结合在一起而形成的晶体，每一层中有大п键，有易流动п电子，相当于金属中的自由电子，故石墨能导热和导电，有金属晶体的特征。

・石墨烯 碳原子以SP2杂化轨道组成平面正六边形蜂巢状且只有一个碳原子厚度的二维材料。2004年成功地从石墨中分离出石墨烯，曾认为这是一种无法单独稳定存在的结构。石墨烯是最薄最坚硬的透明纳米材料，比钻石还坚硬；石墨烯是人类已知强度最高的的材料，强度比钢铁还要高上100多倍（因碳碳键键能大于金刚石），若将石墨烯膜薄覆盖在一只杯子上，则需一头大象站在铅笔上，才能将其戳穿。可制作超轻防弹衣和超轻超薄型飞机材料；透光度好；导热性强；是世界上导电性最好的材料，电子在石墨烯里好像没有质量一样，运动速度非常快（可达到光速的三百分之一），石墨烯电池可实现1分钟充电，石墨烯将替代硅来生产大型超级计算机。石墨烯独特而优秀的品质，将给许多领域带来革命性变化。美国两名华裔科学家用透明胶带粘在一块石墨上，撕下来后又将胶带粘到了一块面积只有1平方英寸的硅片上，再将胶带从硅片上撕下来，这样数千小片石墨都粘到了硅片上。目前石墨烯是黄金价格的几十倍，石墨烯的相关产品尚处于研发和概念阶段。

・石墨层间化合物 石墨是具有层状结构的晶体，层与层之间有较大的空隙，靠范华力结合，易插入碱金属、卤素和卤化物等而形成石墨层间化合物，如C8K、C24K、C36K 。 石墨层间化合物的应用十分广泛，可作电极材料、轻型优质导电材料、固体剂、贮氢材料、同位素分离材料、新型催化剂等。

・碳纳米管 1991年由日本物理学家饭岛澄男发现。碳纳米管的强度比同体积钢的强度高300倍，密度却只有后者的1/6到1/7。碳纳米管因而被称“超级纤维”。 碳纳米管的是目前已知材料中熔点最高的。碳纳米管上碳原子P电子形成大范围的离域π键，碳纳米管具有良好的导电性能。单壁碳纳米管可看作是由石墨烯沿一定方向卷曲而成的空心圆柱体，根据卷曲方式的不同，可以是金属性导体或半导体。这是碳纳米管的一个独特而优异的性质，但也为其制备带来了巨大的挑战，用一般方法合成的样品均为不同结构的碳纳米管组成的混合物，单一手性单壁碳纳米管的选择性生长成为一个难题。北京大学李彦教授提出一类钨基合金催化剂，这种催化剂纳米粒子具有非常高的熔点，以此为催化剂，就能够生长出具有特定结构的单壁碳纳米管，相关在2014年7月国际顶尖的《自然》杂志上，是一项世界级科研成果。

・碳纳米泡沫 由约含4000个C原子的原子团簇构成，直径约6纳米，无数个原子团簇连在一起形成纤细的网。在碳纳米泡沫中有许多未成对电子，使之具有磁性，未来有可能将其注射入人体，用来改善核磁共振成像的清晰程度，碳纳米泡沫的密度约2mg/cm3. 而浙江大学的全碳气凝胶固态材料密度约0.16mg/cm3，仅为空气的六分之一，是目前世界上最轻的材料，这种材料具有高弹性、高吸附性。

・碳纤维 聚丙烯腈通过预氧化、碳化而制得碳纤维。因此，碳纤维是有机纤维经碳化和石墨化处理而得的微晶石墨材料。密度是钢的四分之一，强度却是钢的近10倍，显示了碳纤维卓越而广阔应用前景。空客380平均每位乘客每百公里油耗仅3L（相当于小汽车的油耗），而波音787的油耗更低，其幕后英雄便是碳纤维。价格不菲的碳纤维自行车也进入我们的生活中，四川省夹江县年产10万辆高档碳纤维自行车生产线已建成投产。

・环境保护 美国和丹麦的科学家利用计算机筛选出可在低压下将二氧化碳转化为甲醇的新型催化剂Ni5Ga3。利用计算机对化学反应进行模拟，预测出传统化学实验结果，即在电脑上进行化学实验，该成果获2014年诺贝尔化学奖。北京大学顾雨春教授在一氧化碳的生理学功能研究方面居世界前沿，顾教授揭示了一氧化碳作用在肾脏上参与水盐代谢和重吸收；作用在血管可以促进血管内皮生长，放松血管使其通畅、柔软、有弹性；作用于心脏可以保护缺血心脏，一氧化碳也可望应用于治疗和控制帕金森氏症、阿尔兹海默综合症。可见，一氧化碳和一氧化氮这两种大气污染物有相似的生理学功能。要知道Ignarro博士通过一氧化氮在心血管系统的重要发现，获得了1998年诺贝尔医学奖。