宇宙大爆炸模型（图片来源于网络）

宇宙中的温度继续下降，这时中子和质子结合形成氦原子核，剩余的质子凝聚成氢原子核。质子是氢原子核，再结合中子成为氘和氚的原子核，氘和氚与质子反应形成氦3和氦4，进一步生成锂原子核。因此，元素周期表的头三个元素：氢、氦、锂就是在宇宙大爆炸中产生的，这被称为“原初核合成”。

原初核合成的反应过程（图片来源于网络）

经过这样一系列不断的反应，最终形成了碳原子核，碳诞生。

碳在宇宙进化中起着重要作用，是宇宙中前期生物分子进化的关键元素，是地球上一切生物有机体的骨架元素，没有碳就没有生命！

碳的起源——“大爆炸”理论解释

（图片来源于网络）

火的利用：文明时代的到来

尽管碳在宇宙大爆炸时期就已经形成，但经过漫长的演化历史，其主要以多种形式广泛存在于大气和地壳和生物之中。

而碳可以说是人类接触到的最早的元素之一，也是人类利用得最早的元素之一。从人类在地球上出现以后，就和碳有了接触，火山爆发、雷电轰击、陨石落地、煤和树木的自燃，使人们看到了火的威力和作用，通过钻木摩擦生活等方式逐步学会了用火。

火的利用（图片来源于网络）

人类在学会怎样用火以后，实际上碳就成为人类永久的伙伴了，驱散了黑暗，为人类带来了光明，度过一个个漫长的黑夜。

就这样，人类开始利用碳材料，如木材、柴草等的燃烧取火、取暖、食物等，人类由于懂得利用火,因而逐步学会了烧制陶瓷、冶炼金属、制造玻璃等。

人类从此揭开了认识自然改变自然的新篇章，火的利用可以说是人类发展史上里程碑式的突破，可以说是碳材料将人类带进文明时代。

18世纪工业革命，开启了煤炭作为工业燃料的时代，直到今天煤炭也是我们重要的能量来源，全国煤炭发电占总发电量的80%。

文明的火种的广袤的大地上蔓延开来，如“星星之火，可以燎原”般，在人类漫长的岁月长河中，散发出明亮的光芒，引导着人类走向文明。

工业的基石：碳材料的应用

文明时代的到来，人类从此揭开了认识自然改变自然的新篇章，而这一切都离不开碳材料。

通过木材或木质原料经过不完全燃烧产生的木炭还原铜、冶炼青铜，人类由石器时代进入了铜器时代。铜器时代的到来，使得人类具有更大的生产力和创造力。

当人类在冶炼青铜的基础上逐渐掌握了冶炼铁、制铁的技术之后，铁器时代就到来了，人类开始锻造铁器制造工具，极大促进了社会生产力的发展。

铁器时代的工具（图片来源于网络）

到十八世纪初，焦炭作为还原剂被广泛用于高炉炼铁、炼钢工业，起还原剂、发热剂和料柱骨架作用。炼铁高炉采用焦炭代替木炭，为现代高炉的大型化奠定了基础，是冶金史上的一个重大里程碑。焦炭除大量用于炼铁和有色金属冶炼（冶金焦）外，还用于铸造、化工、电石和铁合金。

以焦炭为代表的碳材料开始在基础工业时代崭露头角！

此后，碳材料主要以电极、炭黑、电刷、电极糊的形式用于用于炭砖、炼钢、炼铝等冶金、橡胶轮胎、电动机械等传统工业领域。

而技术的不断进步也推动着碳材料的不断发展，不同产品的碳材料不断涌现出来，在工业生产中赋予新的功能。主要以等静压石墨、热解石墨、热解炭的形式用作精密加热器、高强度结构、新型电池、核反应堆等。

碳材料的应用历史（图片来源于网络）

直到今天，碳材料已经作为工业基础广泛应用于机械工业、电子工业、电器工业、航空航天、核能工业、冶金工业、化学工业等。

碳时代的到来：新型碳材料的发现

随着科学技术的进步，人类越来越发现碳材料蕴含着无限的开发可能性。从碳材料家族中最古老的金刚石、石墨，到传统的炭黑、多孔碳、活性炭、高纯石墨等，在工业生产、人们生活中发挥出巨大的作用。

而一个又一个新型碳材料的发现，带给人们无限的惊喜和期待，也刷新人们对于碳材料的感知和认识。

1985年英国化学家哈罗德·沃特尔·克罗托博士和美国科学家理查德·斯莫利在莱斯大学制备出富勒烯。

富勒烯的发现，打破了人们对于碳的同素异形体只有石墨、钻石、无定形碳（如炭黑和炭）的认识。

为人们开辟了一个崭新的研究领域，而其奇异的空心球结构，开拓了碳原子新的时代！

富勒烯及其衍生物具有许多优异的性能，具有超导，半导体，强磁性等，在光、电、磁等领域有潜在的应用前景。

1996年，瑞典皇家科学院将该年度的诺贝尔化学奖授科尔、克罗托、斯莫利三人，以表彰他们所做出的划时代贡献。

正当人们对于富勒烯的发现惊喜不已时，碳纳米管进入人们的视野。

1991年，碳纳米管被发现，碳纳米管是由石墨中的碳原子层卷曲而成的管状的材料，管的直径一般为几纳米到几十纳米，管的厚度仅为几纳米。

2008年，碳纳米管获得Kavli纳米科学奖，被学术界誉为纳米科技界的诺贝尔奖。

碳纳米管作为一维纳米材料，重量轻，六边形结构连接完美，具有许多异常的力学、电学和化学性能。由于其独有的结构和奇特的物理、化学特性以及潜在的应用前景而吸引了物理、化学、材料、电子等领域专家的极大关注，在全世界掀起了一股碳纳米管的热潮，被称为是21世纪最有前途的一维纳米材料。

富勒烯和碳纳米管的发现，使得碳材料的研究进入了一个新的发展阶段，同时也激起了科学家们对新型碳的同素异形体的研究热忱和兴趣。

而碳材料也并没有让人们失望，带来了更多的惊喜和意外！

2004年，英国两位科学安德烈·海姆和康斯坦丁·诺沃肖洛通过机械剥离用透明胶带对天然石墨进行层层剥离意外得到了石墨烯，一种由碳原子以sp²杂化轨道组成六角型呈蜂巢晶格的二维碳纳米材料。

2010年，英国曼彻斯特大学的安德烈·海姆和康斯坦丁·诺沃肖洛夫由于在二维碳材料石墨烯方面开创性的研究被授予了诺贝尔物理奖。

石墨烯具有优异的光学、电学、力学特性，在材料学、微纳加工、能源、生物医学和药物传递等方面具有重要的应用前景，被认为是一种未来革命性的材料。

而对于碳材料的研究并没有停止，碳纳米洋葱、碳包覆纳米金属颗粒、碳气凝胶等新型碳材料也涌现出来。

在人类发展史上，石墨电极的应用，碳纤维复合材料的开发，以碳元素为主体的有机材料的大量使用，以及金刚石薄膜的推广等都极大地推动了科学发展和人类的进步。新型的纳米碳材料富勒烯、碳纳米管及石墨烯被发现后，理论和实验都证明它们具备特殊性质和性能，具有重要的应用前景。

因此，21世纪又被称为“碳时代”。

碳材料美丽的意外：石墨炔的发现与应用

2010年，就在为石墨烯获得诺贝尔物理学奖欢呼雀跃之时，中科院化学所有机固体院重点实验室李玉良团队利用六炔基苯在铜片的催化作用下发生偶联反应，成功地在铜片表面上通过化学方法合成了大面积大面积石墨炔薄膜，碳的新的同素异形体——石墨炔。

一时间，世界还没有缓过神来。石墨烯是什么还似懂非懂，石墨炔又是一种什么材料？

2010年，中科院化学所李玉良团队制备的石墨炔。

石墨炔是一种新型碳的同素异形体，是由sp和sp2两种杂化形式的碳原子组成的二维层状材料。是由1，3-二炔键将苯环共轭连接形成二维平面网络结构的全碳分子，具有丰富的碳化学键，大的共轭体系、宽面间距、优良的化学稳定性和半导体性能，以及力学、催化和磁学等性能。

是继富勒烯、碳纳米管、石墨烯之后，一种新的全碳二维平面结构材料，被誉为是最稳定的一种人工合成的二炔碳的同素异形体。

具有中国自主知识产权的石墨炔自2010年被首次成功合成以来，吸引了全世界来自化学、物理、材料、生物和电子等学科的科学家对其进行探索。

石墨炔独特的纳米级孔隙、二维层状共轭骨架结构及半导体性质等特性，使之在能源、电化学、光催化、光学、电子学等诸多领域优势显著。石墨炔的基础和应用研究已取得了重要成果，并迅速形成了一个新领域。

未来世界就是这样充满期望与不确定，也许人们对于碳材料的认识和研究才刚刚拉开序幕，我们有理由相信，随着科学技术和研究的发展，碳材料将会给我们带来更多的惊喜和期望！

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