一、引言

碳是元素周期表中的第六个元素，既是生命的基石，多功能材料的核心，更是串联科学、艺术与文化的灵感纽带。本文将深入探索其多样形态及对科学、生活、艺术和材料等领域的深远影响，并探讨碳在全球可持续发展中的永恒价值。

二、科学中的碳：引领创新的万用元素

碳看似平凡，却不可或缺，能够组合成无数种化合物和结构。在有机化学领域，碳元素可与多种元素形成稳定的共价键，其根本原因在于碳的粘合力，使其能构建各种分子结构。碳元素的多功能性和多样性，推动了无数新化合物的发现与合成，丰富了我们的生活。在材料科学和纳米技术领域，碳同样扮演着关键角色。石墨烯、碳纳米管和富勒烯等碳基材料在强度、导电性和灵活性方面均展现出卓越的性能，改变了产业形态，为许多先进技术的应用带来了新的可能。

碳的多功能性与多样性，使其成为跨越 化学、材料学、物理学等领域的“万用元素”，并将持续驱动人类对未知科学领域的探索与突破。

三、生命中的碳：生物系统的重要支柱

碳是生命的“灵魂元素”，没有碳，就没有地球上的生命形态。它是构成蛋白质、脂质、核酸和碳水化合物等大分子的核心成分。在蛋白质中，碳构成了氨基酸的基本骨架，而氨基酸进一步组成了执行各种生理功能的蛋白质分子。碳水化合物同样以碳为主体，单糖如葡萄糖，是生物体获取和储存能量的重要分子；复杂多糖，如植物细胞壁中的纤维素则承担着结构支撑的作用。脂质包括脂肪、油类和磷脂，也主要由碳骨架构成。核酸的结构和功能同样建立在含碳成分之上。DNA和RNA所含的碱基均含有碳元素，通过不同的排列组合，编码着生物生长、发育和繁殖所需的遗传信息。从分子结构上看，这些碱基属于嘌呤和嘧啶两大类，均以碳氮环结构为基础。这些碱基的不同排列组合，编码着生物的全部遗传信息，决定着生物的性状与繁衍。碳在这些基本生物分子中错综复杂的相互作用，说明了它在生命过程中的核心地位。

藏在遗传信息中的碳

资料来源：本文作者研究团队绘制

从蛋白质的折叠到碳水化合物的能量储存，再到脂质的结构完整性，以及核酸的遗传讯息编码，碳存在于地球生命的各种形态中。

四、碳循环：元素交换的和谐之舞

碳循环是地球生态系统的“平衡密码”，维系着大气、陆地、海洋与生物之间的碳元素流动，支撑着地球生态的稳定与可持续。

碳循环：碳循环是调节大气、陆地、海洋和生物之间碳流动的过程。从植物光合作用吸收二氧化碳开始，到二氧化碳通过呼吸作用和腐烂释放到大气中，碳循环的每一个步骤，都有助于地球上的碳“无缝交换”。

天然碳汇：碳以多种形式存在与地球的碳汇中，大气、陆地植被、土壤、海洋以及埋藏在地球表面下的化石燃料扮演着碳储存库的角色，通过生物、地质和物理过程，使碳在各碳汇之间流动。

人类影响与气候变化：人类活动导致空气中的二氧化碳含量空前增加。燃烧化石燃料、过度伐林和不当的土地利用，均改变了自然界的碳通量和碳平衡，加剧了全球气候变化及其对生态系统和生物多样性的相关影响。

海洋性影响：海洋是巨大的碳汇，能够吸收并储存大量原本会造成温室效应的碳排放，在调节大气中二氧化碳含量上十分重要。

减缓碳排放：造林规划、可持续土地管理、碳抵消计划、可再生能源开发，这些策略可减缓碳排放和恢复碳循环平衡，促进人类活动与自然环境的可持续关系发展。

支撑地球上的生命：碳循环维持大气中二氧化碳含量，调节全球气候模式，支撑生物体生长发展，对维持地球生命至关重要。

大千世界的碳循环

资料来源: Global Carbon Project. (2022). Supplemental Data of Global Carbon Budget 2022 (Version 1.0)IData set].Global Carbon Project.https://doi.org/10.18160/gcp-2022

(版权遵守:Creative Commons Attribution 4.0 international)

本文作者研究团队中译原图文字

五、艺术与文化中的碳：灵感与象征的来源

碳除了其科学和生物意义之外，在艺术文化领域也留下了生动的印记。艺术家们常从碳的特性和其在自然界存在形式中汲取创作灵感。碳从原材料到多样结构的转化体现了生命力与创造性，在不同艺术形式中象征着韧性、持久性和循环性。在文化叙事中，碳也承载着成长、变化与相互连结的意涵，成为转化与更新的象征。

碳基材料在艺术和设计中的使用，进一步体现了其在创造性表达中的影响力。无论是用在绘画的木炭（碳的不纯形式）还是碳黑颜料，碳基材料在艺术实践中为视觉表现增添了深度、广度和象征意义。在当代艺术中，碳的特性及其与环境问题的关系已成为艺术论述的重要主题。艺术家通过装置艺术、雕塑及多媒体作品，探讨碳排放、气候变化等问题，激发了公众对全球性挑战的关注与反思。

碳已超越其本身的化学性质，在艺术表现和文化表达中，象征着创造力、转变与相互连结。对于塑造人类文明和激发创造力具有无可比拟的重要作用。

六、碳与洞穴绘画：史前艺术的永恒印记

碳作为艺术材料最早的用途可以追溯到史前时代，洞穴绘画便是碳与艺术最初的碰撞，留存着人类文明最古老的艺术印记。当时木炭被用于洞穴绘画。在法国拉斯科洞穴（Lascaux Cave）中发现的艺术作品，是已知最古老的人类艺术之一。木炭因其稳定的深黑色，成为创作图像的理想材料。这些画作历经数千年仍保持着显著的清晰度与色彩。

拉斯科洞穴

资料来源: Bandarin, F.(2006). Lascaux Cave. Prehistoric Sites and Decorated Caves of the Vézère Valley(France).

UNESCO.https://whc.unesco.org/en/documents/108435E.

(版权遵守: Creative Commons Attribution-ShareAlike 3.0lG0)

这些洞穴绘画以动物、狩猎场景为主要内容，是史前人类对生活、自然的记录与敬畏，而碳作为创作媒介，不仅承载着人类最初的艺术灵感，更成为跨越万年的“时间载体”，连接着史前文明与现代社会，让我们得以窥见人类艺术与创造力的起源。

七、材料中的碳：穿越钻石与石墨的极限之旅

碳的多样性在材料领域展现得淋漓尽致，其同素异形体的极致差异，演绎出“从柔软到坚硬”的极限传奇，其中最具代表性的便是钻石与石墨。作为碳的两种常见同素异形体，钻石与石墨的性质截然不同，核心原因在于碳原子的排列方式：

钻石中的碳原子以正四面体结构形成紧密的三维晶格，使其成为人类已知的最坚硬的天然物质，兼具超高折射率与璀璨光泽，既是珍贵的珠宝，也被广泛应用于工业切割、精密仪器等领域；而石墨中的碳原子呈层状六边形结构，层间作用力极弱，因此具备优异的润滑性能，被广泛用于铅笔、润滑剂、电池电极等领域，其导电性和热稳定性也进一步拓展了其在工业领域的应用。

碳基材料的多功能性和高度可塑性不断推动材料科学创新发展，碳的千变万化使其在材料世界中处于无可替代的地位。

钻石与石墨

资料来源:0'Bannon,G.Xia,F.Shi,R.Wirth,A. King,L.Dobrzhinetskaya,"The Transformation ofDiamondto Graphite:Experiments Reveal the Presence of an Intermediate Linear Carbon Phase," Diamond andRelated Materials,Volume 108,2020,https://doi.org/10.1016/j.diamond.2020.107876.

(版权遵守:Elsevier)

本文作者研究团队绘制

八、结语

从影响科学的创新到启发艺术的表现，碳在各个领域都极其关键。作为宇宙中最常见的元素之一，碳从星际尘埃到生命的基本组成无处不在，连接万物，影响深远。这种超越无边界限的特性，将为人类未来带来无限可能，并持续启发各个领域的创新创造。

作者：严晋跃 香港理工大学建筑环境及能源工程学系及国际城市能源研究中心

来源：香港理工大学出版社《开物Ⅲ：科技与文化》

来源: 科普中国