生命的根基：碳元素為什麼是週期表中最奇怪的元素？

碳元素為什麼是週期表中“最瘋狂”的元素？

說起元素週期表中最特別的元素，每個人透過不同的角度都有自己的看法，比如非常具有反應性的，或致命的，甚至是罕見的。在我看來，我個人認為碳是最瘋狂的元素。以鑽石為例。鑽石因其光輝、純淨和稀有而受到尊敬，特別是像下面這樣的大鑽石。

然而，人們很少認識到鑽石是所有已知物質中最堅硬的。這就是為什麼它們被嵌在掘進機的鑽頭裡。唯一能劃傷一顆鑽石的方法是用另一顆鑽石或鐳射，但鑽石也能劃傷其他堅硬的物質，如藍寶石、紅寶石和綠寶石。

比鑽石的硬度更令人驚訝的是，鑽石是你用肉眼可能見過或將會看到的唯一分子之一。是的，鑽石是分子。

鑽石的重複結構是金剛烷，如上圖所示。金剛烷本身是一種高度穩定的分子，但當它們結合在一起時，就會形成非常穩定和堅硬的鑽石分子。

碳的瘋狂部分是由於它的鍵。

在標準條件下，它最多能形成四個鍵，你可能會認為這限制了它的瘋狂程度，但因為碳與其他碳形成非常穩定的鍵，每增加一個碳就會導致多樣性的巨大增長。事實上，實際上有十幾億種碳基分子。注意兩個碳鍵的化合物的多樣性，以及形狀的多樣性。

與之相比的是類固醇前體膽固醇，它有很多碳，在生物上以不同的方式發生少量變化，導致成千上萬的激素和類固醇，雌激素和睪酮就是兩個例子。

更讓碳變得瘋狂的是，碳很容易和週期表上的大多數其他元素成交。例如，它與氯、氧、氮結合，但也與鐵、鉛、鋅，甚至鈀、鉑和金結合，形成有機金屬化合物。

但這只是冰山一角，卻還有許多神秘的面紗尚未揭開。鑽石很硬，也很漂亮，但是看到我們日常生活中碳的多樣性，因為碳的化學性質和鍵合型別的多樣性，將澄清為什麼我認為碳是最瘋狂的元素。

奈米技術

上圖是另一種碳的同素異形體石墨烯的球棍模型，正是石墨烯的扁平結構使得鉛筆可以毫不費力地在紙上滑行。隨著鉛筆的移動，薄層的石墨片被留下了。

這當然很有趣，但更有趣的是我們可以把碳塑造成一個球。這就是眾所周知的巴克敏斯特富勒烯，也被稱為“巴克球”。

它是以建築師巴克敏斯特（Buckminster）的名字命名的，他設計了一座很多人都很熟悉的建築，儘管它的外部格子結構與富勒烯並不完全相同，那就是艾波卡特中心。

我們可以用另一種想象力想象一下，如果我們拿一塊石墨板，把它捲起來，把兩端縫合在一起。這種最終產物被稱為碳奈米管。

當你在一個表面塗上一層奈米管時，一種被稱為Vantablack的材料就可以被製造出來，它可以吸收幾乎所有落在它上面的光，並創造出一個剪影的材料形式，如果你願意，甚至可以創造出一個三維的陰影。

儘管它們可能不被認為是“奈米技術”，塑膠是由碳化合物製成的。聚合是指把含有碳的分子連線成長鏈，稱為聚合物。例如，乙烯被一種催化劑聚合成我們日常使用的塑膠。下面的動圖總結了這一過程，但是很少使用硫酸。

證明碳的多功能性的是它可以使一種化合物作為催化劑，碳與氧、硫、磷或氮等生物化學元素結合，而是與鈦原子結合形成有機金屬化合物。然後乙烯與鈦結合乙烯透過鍵相乘。（注意鈦-碳鍵（Ti-C），或（Ti- ch2 -）。）

碳在自然界中

所有的生命都是碳基的，即使你生活在岩石下，你也是碳基的！碳-碳鍵是生命的基本結構（連無脊椎動物也如此），存在於糖、澱粉、氨基酸、因此蛋白質和酶中。它也是“生命密碼”、RNA、DNA及其核酸的基本結構。

另一個瘋狂的碳的特徵出現在生命形式，它被稱為手性，雖然發現手性化合物的其他元素的例子是生命系統中最普遍。讓前面的例子顯得蒼白的不是手性的內在可能性，而是在生命系統中對一種特定形式的幾乎一致選擇！

手性

當碳與四個不同的原子或基團結合時，它就不再具有映象對稱面。沒有映象對稱面的分子稱為手性分子。這意味著它們存在一個不同的分子，這是它的映象。就像你的左手是你的右手，映象是你的右手。

雖然你的左手和右手的細胞型別相同，手指數量相同，但你不能完全重疊它們，這一點暴露出它們實際上是不同的。這就是為什麼手性化合物被描述為具有不可重疊影象的化合物。

雖然每種“手”的統計機率似乎都是50/50，但在地球上，生物系統壓倒性地選擇了一隻手。例如，自然界主要產生d -糖、l -氨基酸和d -核酸。

因此，DNA螺旋只向一個方向轉動，當統計上沒有任何外界干擾時，這兩個方向都應該是可能的：

這也會影響身體的蛋白質和酶，它們與d -糖或l -氨基酸的反應比d -糖或l -氨基酸的反應高很多個數量級，幾乎100%地排除了另一隻“手”。

一種酶的反應位點本質上是一種受體，就像我們鼻子裡的嗅覺受體一樣。揭示我們身體系統的利手性，以及它對特定的左手或右手分子的選擇是香芹酮的例子，它可以從每隻手的兩種純形式中分離出來。每隻香芹酮都有一種獨特的氣味，一種是留蘭香，另一種是黑甘草香。檸檬烯分子的手也產生了檸檬和橙子氣味之間不太明顯的差異。

結論

老實說，我只是觸及了碳元素瘋狂的表面，但這個答案應該為我的論點提供了一個很好的論據。碳不僅是所有生命的支柱，也是現代和未來技術的支柱。它被新增到鐵形成更強的鋼鐵，它與矽形成碳化矽混合用於剎車片（只有四個位置從鑽石的硬度），瀝青用於鋪路，它存在於混凝土和塑膠，用於淨化系統，用作核反應堆控制棒，仍是大部分的能源供應我們使用權力世界和糧食。

生活在多大程度上依賴於碳，無論是外在的還是內在的，這是一種瘋狂。