沒有碳元素，便沒有生命
汪小波
碳是生命科學(xué)中最重要的元素，雖然宇宙科學(xué)家推測，宇宙可能存在硅基生命。含碳的蛋白質(zhì)、核酸、DNA等有機(jī)物是組成生命的重要物質(zhì)，沒有碳元素便沒有生命。金剛石的人工合成、碳纖維的開發(fā)利用，以及石墨層間化合物、富勒烯(1996年諾獎)、石墨烯（2010年諾獎）、聚乙炔（2000年諾獎）、碳納米管（2014年北大成果）和碳納米泡沫（浙大成果）等材料的發(fā)現(xiàn)與合成，不對稱合成化學(xué)（2001年諾獎）、超分子化學(xué)（2016年諾獎）、組合化學(xué)等與碳元素相關(guān)的新興學(xué)科涌現(xiàn)，生物化學(xué)、分子生物學(xué)、藥物化學(xué)等學(xué)科知識更新速度異常迅速。這些令人矚目的成就，給人們展現(xiàn)了無限的想象。
● 結(jié)構(gòu)生理功能繁多的蛋白質(zhì)，一直是生命科學(xué)研究的熱點(diǎn)。2014年6月清華大學(xué)顏寧教授在世界上首次解析了人源葡萄糖轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白GLUT1的晶體結(jié)構(gòu)，揭示了其工作機(jī)制及相關(guān)疾病的致病機(jī)理。同年7月，清華大學(xué)施一公院士首次揭示了阿爾茨海默癥發(fā)病直接相關(guān)的人源γ分泌酶復(fù)合物的精細(xì)三維結(jié)構(gòu)。四川大學(xué)科學(xué)家發(fā)現(xiàn)組蛋白H2B單泛素化參與DNA損傷修復(fù)的調(diào)控新機(jī)制。
●金剛石中C原子間以SP3雜化軌道成鍵。金剛石的導(dǎo)熱性能是銅5倍，其熱量是通過原子間振動來傳遞的，這與金屬靠自由電子傳遞熱量不同。常溫常壓下石墨轉(zhuǎn)化成金剛石是非自發(fā)的。1955年美國科學(xué)家霍爾在1650℃和95000atm下首次人工合成了金剛石。不久前，有人用瞬時爆炸產(chǎn)生的高壓和急劇升溫，也獲得了人造金剛石。中科大科學(xué)家首先實(shí)現(xiàn)了金剛石燃燒的逆過程，即把低能、直線形的CO2變成了正四面體的金剛石。1998年北京大學(xué)科學(xué)家以CCl4為碳源成功合成金剛石。國外有人用SiC也合成了金剛石。地球上昂貴的金剛石，在巨蟹55星球上金剛石質(zhì)量是地球質(zhì)量的3倍。
●富勒烯C60、C70等具有封閉籠狀結(jié)構(gòu)的碳單質(zhì)稱為富勒烯，是分子晶體，C原子間以S0.305P0.695 雜化軌道成鍵（3條σ鍵，非共平面），C原子間還以S0.085P0.915 雜化軌道形成п鍵。分子呈球狀，球內(nèi)球外都圍繞п電子云。北京大學(xué)也成功合成C60。C60可改善金屬性能、作新型催化劑、貯存氫氣（因C60分子有30條п鍵）、用于超導(dǎo)研究和醫(yī)學(xué)研究、制造高分子材料和記憶材料等。C60是紫紅色的分子晶體，不溶于水，在苯、二硫化碳、四氯化碳等中有一定溶解性。
●將單質(zhì)碘摻雜在聚乙炔中，比原聚乙炔膜的導(dǎo)電性提高了1000萬倍，具有與金屬一樣的導(dǎo)電性，利用這種材料可制造新型電子器件、可卷曲的電視大屏幕等。這是2000年諾貝爾化學(xué)獎成果。
●石墨是混合鍵型晶體，碳原子以SP2雜化軌道成鍵，彼此以σ鍵結(jié)合在一起，可以認(rèn)為石墨是由許多層石墨烯以范徳華力結(jié)合在一起而形成的晶體，每一層中有大п鍵，有易流動п電子，相當(dāng)于金屬中的自由電子，故石墨能導(dǎo)熱和導(dǎo)電，有金屬晶體的特征。
●石墨烯是碳原子以SP2雜化軌道組成平面正六邊形蜂巢狀且只有一個碳原子厚度的二維材料。2004年成功地從石墨中分離出石墨烯，曾認(rèn)為這是一種無法單獨(dú)穩(wěn)定存在的結(jié)構(gòu)。石墨烯是最薄最堅(jiān)硬的透明納米材料，比鉆石還堅(jiān)硬；石墨烯是人類已知強(qiáng)度最高的的材料，強(qiáng)度比鋼鐵還要高上100多倍（因碳碳鍵鍵能大于金剛石），若將石墨烯膜薄覆蓋在一只杯子上，則需一頭大象站在鉛筆上，才能將其戳穿。可制作超輕防彈衣和超輕超薄型飛機(jī)材料；透光度好；導(dǎo)熱性強(qiáng)；是世界上導(dǎo)電性最好的材料，電子在石墨烯里好像沒有質(zhì)量一樣，運(yùn)動速度非常快（可達(dá)到光速的三百分之一），石墨烯電池可實(shí)現(xiàn)1分鐘充電，石墨烯將替代硅來生產(chǎn)大型超級計(jì)算機(jī)。石墨烯獨(dú)特而優(yōu)秀的品質(zhì)，將給許多領(lǐng)域帶來革命性變化。美國兩名華裔科學(xué)家用透明膠帶粘在一塊石墨上，撕下來后又將膠帶粘到了一塊面積只有1平方英寸的硅片上，再將膠帶從硅片上撕下來，這樣數(shù)千小片石墨都粘到了硅片上。目前石墨烯是黃金價格的幾十倍，石墨烯的相關(guān)產(chǎn)品尚處于研發(fā)和概念階段。
●石墨層間化合物:石墨是具有層狀結(jié)構(gòu)的晶體，層與層之間有較大的空隙，靠范徳華力結(jié)合，易插入堿金屬、鹵素和鹵化物等而形成石墨層間化合物,如C8K、C24K、C36K 。 石墨層間化合物的應(yīng)用十分廣泛，可作電極材料、輕型優(yōu)質(zhì)導(dǎo)電材料、固體潤滑劑、貯氫材料、同位素分離材料、新型催化劑等。
●碳納米管 1991年由日本物理學(xué)家飯島澄男發(fā)現(xiàn)。碳納米管的強(qiáng)度比同體積鋼的強(qiáng)度高300倍，密度卻只有后者的1/6到1/7。碳納米管因而被稱“超級纖維”。 碳納米管的是目前已知材料中熔點(diǎn)最高的。碳納米管上碳原子P電子形成大范圍的離域π鍵，碳納米管具有良好的導(dǎo)電性能。單壁碳納米管可看作是由石墨烯沿一定方向卷曲而成的空心圓柱體，根據(jù)卷曲方式的不同，可以是金屬性導(dǎo)體或半導(dǎo)體。這是碳納米管的一個獨(dú)特而優(yōu)異的性質(zhì)，但也為其制備帶來了巨大的挑戰(zhàn)，用一般方法合成的樣品均為不同結(jié)構(gòu)的碳納米管組成的混合物，單一手性單壁碳納米管的選擇性生長成為一個難題。北京大學(xué)李彥教授提出一類鎢基合金催化劑，這種催化劑納米粒子具有非常高的熔點(diǎn)，以此為催化劑，就能夠生長出具有特定結(jié)構(gòu)的單壁碳納米管，相關(guān)論文發(fā)表在2014年7月國際頂尖的《自然》雜志上，是一項(xiàng)世界級科研成果。
●碳納米泡沫是由約含4000個C原子的原子團(tuán)簇構(gòu)成，直徑約6納米，無數(shù)個原子團(tuán)簇連在一起形成纖細(xì)的網(wǎng)。在碳納米泡沫中有許多未成對電子，使之具有磁性，未來有可能將其注射入人體，用來改善核磁共振成像的清晰程度，碳納米泡沫的密度約2mg/cm3. 而浙江大學(xué)的全碳?xì)饽z固態(tài)材料密度約0.16mg/cm3，僅為空氣的六分之一，是目前世界上最輕的材料，這種材料具有高彈性、高吸附性。
●聚丙烯腈通過預(yù)氧化、碳化而制得碳纖維。因此，碳纖維是有機(jī)纖維經(jīng)碳化和石墨化處理而得的微晶石墨材料。密度是鋼的四分之一，強(qiáng)度卻是鋼的近10倍，顯示了碳纖維卓越而廣闊應(yīng)用前景?？湛?80平均每位乘客每百公里油耗僅3L（相當(dāng)于小汽車的油耗），而波音787的油耗更低，其幕后英雄便是碳纖維。價格不菲的碳纖維自行車也進(jìn)入我們的生活中，四川省夾江縣年產(chǎn)10萬輛高檔碳纖維自行車生產(chǎn)線已建成投產(chǎn)。
●關(guān)于不對稱合成。據(jù)2012年9月2日CCTV報(bào)道，50年后反應(yīng)停事件（又稱為沙利度胺事件）的受害者在徳國某制藥廠示威游行，要求賠償損失。曾給孕婦服用的是沙利度胺的外消旋體，其中一種不致畸，另一種對映異構(gòu)體致畸，使生下的嬰兒手腳畸形。這一事件直接導(dǎo)致不對稱合成成為20世紀(jì)90年代有機(jī)化學(xué)研究熱點(diǎn)之一。四川大學(xué)在有機(jī)化學(xué)的不對稱合成方面取得了國際一流成就，其中一類化學(xué)反應(yīng)就是用該校馮小明院士的名字來命名的。
●超分子化學(xué)是基于分子間的非共價鍵相互作用而形成的分子聚集體的化學(xué)。生物體中執(zhí)行生命功能的是無數(shù)個超分子體系，如在細(xì)胞內(nèi)的生物化學(xué)過程（DNA與RNA的合成、蛋白質(zhì)的表達(dá)與分解、脂肪酸合成與分解、能量轉(zhuǎn)換等）都由特定超分子體系來執(zhí)行。我們在很長的時間里重視對化學(xué)鍵的研究，而超分子化學(xué)的出現(xiàn)，才使今天的人們認(rèn)識到范徳華力、氫鍵（2013年中國科學(xué)家在國際上首次成功拍攝到氫鍵的照片）這些弱相互作用同樣十分重要性。目前已知的3 000多萬種分子，都可在不同層次上組裝成數(shù)不清的具有特殊功能的超分子體系。超分子化學(xué)開拓了制造新物質(zhì)與新材料的途徑，目前已發(fā)展成了超分子科學(xué)，是21世紀(jì)科學(xué)研究的熱點(diǎn)之一。
●20世紀(jì)90年代化學(xué)家將數(shù)學(xué)中的組合原理應(yīng)用到化學(xué)合成領(lǐng)域。它是將化學(xué)合成、組合理論、計(jì)算機(jī)結(jié)合一體，并在短時間內(nèi)生成化合物庫，然后對庫成分進(jìn)行篩選優(yōu)化，得到目標(biāo)化合物結(jié)構(gòu)的一門科學(xué)。組合化學(xué)方法和傳統(tǒng)的有機(jī)合成方法在勞動強(qiáng)度和工作效率方面有著巨大的優(yōu)勢。組合化學(xué)在新材料的開發(fā)、催化劑篩選、新藥物的合成與篩選（運(yùn)用組合化學(xué)原理進(jìn)行藥物合成是藥物合成化學(xué)上的一次革命）、新農(nóng)藥的合成和篩選等方面有著廣泛的應(yīng)用前景。21世紀(jì)是綠色化學(xué)的世紀(jì)，綠色化學(xué)要求化學(xué)反應(yīng)的原子利用率100％，組合化學(xué)是實(shí)現(xiàn)綠色化學(xué)的必經(jīng)之路。
●環(huán)境保護(hù)方面。美國和丹麥的科學(xué)家利用計(jì)算機(jī)篩選出可在低壓下將二氧化碳轉(zhuǎn)化為甲醇的新型催化劑Ni5Ga3。利用計(jì)算機(jī)對化學(xué)反應(yīng)進(jìn)行模擬，預(yù)測出傳統(tǒng)化學(xué)實(shí)驗(yàn)結(jié)果，即在電腦上進(jìn)行化學(xué)實(shí)驗(yàn)，該成果獲2014年諾貝爾化學(xué)獎。北京大學(xué)顧雨春教授在一氧化碳的生理學(xué)功能研究方面居世界前沿，顧教授揭示了一氧化碳作用在腎臟上參與水鹽代謝和重吸收；作用在血管可以促進(jìn)血管內(nèi)皮生長，放松血管使其通暢、柔軟、有彈性；作用于心臟可以保護(hù)缺血心臟,一氧化碳也可望應(yīng)用于治療和控制帕金森氏癥、阿爾茲海默綜合癥?？梢?，一氧化碳和一氧化氮這兩種大氣污染物有相似的生理學(xué)功能。偉哥之父路易斯·伊格納羅，發(fā)現(xiàn)一氧化氮在心血管系統(tǒng)的重要作用，讓人們遠(yuǎn)離心血管疾病，而獲得了1998年諾貝爾醫(yī)學(xué)獎。
汪小波，四川省夾江中學(xué)退休教師，四川省特級教師。曾任多屆夾江縣政協(xié)常委、夾江中學(xué)教科室主任。曾獲樂山市優(yōu)秀人才、樂山市優(yōu)秀教師、夾江縣首屆名教師等稱號。發(fā)表論文論著80多篇（部），有多個教育科研課題獲省市成果。
趙文碧，四川省青神縣河壩子人，三蘇文學(xué)社社長、主編，擅長寫散文與地方傳說，代表作品有《火燒玉蟾寺》、《丞相敬師》等，作品常見于《三蘇文學(xué)》微信公眾號、江山文學(xué)網(wǎng)、都市頭條、金榜頭條、美篇、百度等。
個人簡歷
唐小虎，筆名：夢里，酷愛文學(xué)。喜愛散文、歌詞創(chuàng)作?！度K文學(xué)》常務(wù)社長，微信號／wxid_s3otpbxws4pn21，青神縣作家協(xié)會會員。與音樂走廊合作之歌曲《錦繡青神》、《相知相守風(fēng)雨同舟》、《南方的雪》等廣為傳唱。被百度音樂、MVBOX、酷狗等音樂平臺收錄其中。多篇散文作品在省、市級多家自媒體平臺發(fā)表；主要作品：《青神之夜》、《峨眉情緣》、《老家的味道》、《天下太平 人皆向往》、《漢陽時光：一捧江水 半輪詩月》、《桂花香溢 歲月沉香》、《“東方明珠”之印象.白果》、《開放包容之浪漫麗江》、《騰沖之約》、《夢幻瀘沽湖，摩梭走婚俗》、《洱海的風(fēng)令人醉》、《邛海結(jié)緣》等。
三蘇文學(xué)將在每年年底評選當(dāng)年三蘇文學(xué)的優(yōu)秀作者，按投稿量、瀏覽量、評論數(shù)、獲精次數(shù)、上紅榜各占25％，前三名將獲得精美榮譽(yù)證書及至尊獎杯，并同時在《三蘇文學(xué)》微信公眾號、都市頭條、金榜頭條、今日頭條、百度等平臺廣泛頒布彰顯榮耀，到時可以做現(xiàn)場頒獎活動。歡迎文學(xué)老師們踴躍參加、積極支持、互相轉(zhuǎn)告。
