碳化硅的前世
當(dāng)我們到一個陌生的地方旅行時，身上往往會帶一本當(dāng)?shù)氐牡貓D，這樣就能比較容易地知道我們置身何處。對于想了解一些化學(xué)知識的人來說，元素周期表就是化學(xué)世界的地圖。有了這張“地圖”，我們就可以根據(jù)元素在周期表中的位置判斷它的性質(zhì)，以及它可能參與的化學(xué)反應(yīng)。碳和硅的原子序數(shù)分別為6和14，在元素周期表中處于碳族元素的第二和第三周期，即上下相鄰的位置。這種位置關(guān)系，表明它們在某些方面具有類似的性質(zhì)。在我們生活的自然界中，碳元素?zé)o處不在，含碳化合物是構(gòu)成形形色色的生命的物質(zhì)基礎(chǔ)。雷電引發(fā)的森林大火過后，地面上會留下樹木不完全燃燒形成的大量木炭。早期的人類雖然不知道組成木炭的化學(xué)元素是碳，但他們肯定已經(jīng)利用了這些木炭在洞穴里取暖、在巖壁上作畫。由碳元素形成的另一種天然礦物──煤，已經(jīng)為人類服務(wù)了數(shù)千年，現(xiàn)在仍然在為我們貢獻(xiàn)著熱和光?？梢哉f，因?yàn)橛刑荚?，自然界才變得生機(jī)勃勃。在元素周期表中，碳元素的正下方就是硅。硅元素在地殼中含量巨大，但它的單質(zhì)直到十九世紀(jì)才被發(fā)現(xiàn)和確認(rèn)。1811年法國人 Gay-Lussac 和 Thénard 首制備出純凈的硅，到1823年瑞典人 Berzelius 再次制得純硅后，才被確認(rèn)為元素。雖然出世較晚，但它在半導(dǎo)體及現(xiàn)代通訊業(yè)中的作用卻無法替代。在化學(xué)世界里，碳和硅是同一個大家族中的兩個親兄弟。在我們生活的地球上，它們共同戰(zhàn)斗了數(shù)十億年，但卻沒有結(jié)成生死與共的牢固友誼。也就是說，在自然條件下它們之間并沒有通過化學(xué)鍵連接在一起，或者說地球上沒有天然的碳化硅。
人們在地球上沒有找到天然的碳化硅，但卻收到了來自宇宙空間中碳化硅發(fā)出的信號。早在十九世紀(jì)中期，德國科學(xué)家本生和基爾霍夫就發(fā)現(xiàn)原子可以吸收特定波長的光，由此開創(chuàng)了原子光譜分析法。原子有吸收光譜，由原子組成的分子也有自己特定的吸收光譜。我們知道，宇宙空間除了碩大的星體之外，還存在著大量的原子、分子，以及固體小顆粒，它們都會吸收來自宇宙深處的恒星發(fā)出的光。這些吸收了光能量的原子、分子和顆粒，又會通過發(fā)射不同波段的輻射釋放出能量。因此，宇宙深處的星光經(jīng)過長途跋涉到達(dá)地球時，其強(qiáng)度并不總是隨波長增加而平滑降低的。在這種逐漸降低的消光曲線上，有時也會出現(xiàn)一些令人意外的鼓包。這些鼓包就是由于特定分子或固體小顆粒的發(fā)射光譜造成的。1983年，美國、英國、荷蘭等國聯(lián)合發(fā)射了一顆紅外天文衛(wèi)星，在太陽同步軌道上收集來自宇宙深處的紅外光譜。從這些收集來的光譜上，人們發(fā)現(xiàn)在11.3微米處出現(xiàn)了一個明顯的鼓包，而這正是碳化硅顆粒的特征發(fā)射。已經(jīng)有很多證據(jù)表明，在宇宙空間的塵埃里存在著大量的碳化硅顆粒，大多數(shù)直徑在0.1~1微米之間，約占星際塵?？傎|(zhì)量的5%。
在寒冷的宇宙星空中，這些細(xì)小的碳化硅顆?？此圃诼唤?jīng)心的飄蕩，實(shí)則它們剛剛經(jīng)歷過高溫和烈火的炙烤。天文研究表明，宇宙中存在一類幾乎全部由碳原子組成的恒星──碳星。和普通的由氫和氦組成的恒星相比，它們的溫度較低，只有約3000K。由于碳化硅顆粒是在碳星周圍的塵埃中發(fā)現(xiàn)的，而且只有立方相的碳化硅，因此人們推測這些立方相碳化硅顆粒是由碳星爆發(fā)噴射出來的碳和硅在溫度進(jìn)一步降低到2000K以下時形成的。碳化硅顆粒形成以后，也并非就開始了無所事事的飄蕩生活，而是繼續(xù)為宇宙演化做貢獻(xiàn)。當(dāng)溫度降低到1500K以下時，碳化硅顆粒表面的硅會蒸發(fā)流失，從而在碳化硅表面留下一層石墨化的碳。這些石墨化的碳會繼續(xù)和星際塵埃中的氫發(fā)生反應(yīng)，形成復(fù)雜的碳?xì)浠衔锓肿?。有人甚認(rèn)為，地球上的生命就可能跟那些在星際塵埃中飛來飛去的碳?xì)浠衔镉嘘P(guān)。
從上面的簡單介紹可以看出，碳化硅在宇宙空間中參與了許多重要的化學(xué)過程。然而，在我們生活的地球上，碳化硅的主要用途還只是制造磨具磨料、高性能陶瓷等，在化學(xué)方面的大規(guī)模應(yīng)用還沒有。對化學(xué)家來說，碳化硅是真的沒有用，還是沒有意識到它的作用？從碳化硅在宇宙空間中的演化歷史看，碳化硅注定不是一種平庸的材料！
