从三维到二维再到一维，碳元素的终极形态地表最强物质卡宾碳

在自然界中，钻石的原石金刚石毫无疑问是最坚硬的物质。

金刚石和人们的日常生活息息相关，在很多工业工程领域以及生活加工领域都能看到它们的身影。

比如，加工玻璃用的玻璃刀，刀头上就是一小块金刚石，可以轻松把比钢铁还坚硬的玻璃划开。

作为奢侈品和工艺品的钻石的切割与加工，除了使用激光，也只能使用金刚石，因为自然界没有比它自身更硬的物质。也正是由于它最硬，所以不会磨损、刮花，能够一直保持光亮如新。

之所以金刚石可以切割自身是由于其硬度具有方向性，八面体晶面硬度大于菱形十二面体晶面硬度，菱形十二面体晶面硬度大于六面体晶面硬度。

另外，金刚石也是科学研究的重要物质之一，帮助人们研究物体特别是碳原子的结构性质。

金刚石如此坚硬的原因是在其晶体中，碳原子按四面体成键方式互相连接，组成无限的三维骨架，是典型的原子晶体。每个碳原子都以SP3杂化轨道与另外4个碳原子形成共价键，构成正四面体。由于C-C键很强，所有的共价电子都参与了共价键的形成，没有自由电子，所以金刚石硬度大，而且不导电，性质稳定。

随着科学家对金刚石物质结构的研究特别是碳原子结构的深入研究，发现理论上存在碳原子的二维排列，而这种二维排列的碳原子形成的物质会有很多新奇的特性。

这就是石墨烯，诺贝尔物理学奖获得者安德烈·盖姆（Andre Geim）和康斯坦丁·诺沃肖洛夫（Konstantin Novoselov）戏剧性地通过撕胶带的方式获取了石墨烯，从而揭开了这种新物质的神秘面纱。

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。

但是，二维的石墨烯并不是碳元素物质的终极形态。

早在1885年，德国化学家阿道夫·冯·拜尔（Adolf von Baeyer）就首次提出了炔碳的概念，他描述了线性炔碳——或者说无限长度的碳链——的存在，并将其称为“卡宾碳（carbine）”。

没错，就是一纬的碳原子链。这种链条的外观非常像DNA，相互缠绕扭曲在一起，碳原子之间不同的化学键彼此链接，具有超高的硬度强度，是石墨烯强度的2.2倍，是金刚石的40倍，是钢铁的200倍。

美国莱斯大学专门进行了一项针对卡宾碳的研究，用计算模型证明卡宾碳是世界上最强的材料。

但是，这种一纬的碳原子链极为不稳定，所以在自然界并不存在。甚至这种物质能不能合成，在科学界都是有争议的。

直到来自维也纳大学的研究团队开发出了一种新方法，能批量生产出由超过6400个碳原子组成的碳链。

这种创新方法就是利用两层石墨烯环绕组成的双层壁碳纳米管来提供一个稳定的环境，然后在其管腔里合成一维的碳原子链并促使其生长。

在石墨烯材料制作的环境里，卡宾碳的长度达到了之前的50倍。

然而，即便是合成了超过6400个碳原子的碳链，但肉眼仍然看不见，研究人员只能通过透射电子显微镜、X 射线衍射仪、近场共振拉曼光谱法证实这一碳链的存在。

研究结果表明，这种碳链在实验环境下非常稳定，其电学性能取决于碳链的长度。而且，由于卡宾碳的力学和电学属性与众不同，未来或有助科学家们制备出新型纳米电子和光机设备。

很显然，在材料领域以及工程领域，卡宾碳有望会是继石墨烯之后又一热门的新型材料，也将是下一代纳米电子顶尖科技设备的必备材料。