如果從材料的角度來看人類歷史的發展，當今時代應該是硅時代和碳時代的交叉節點，越來越多的碳材料在人類生活中發揮關鍵性作用。活性炭、石墨、富勒烯、碳納米管、石墨烯、魔角石墨烯等等，大材輩出。
今天，Nature雜志一天連續刊登5篇碳有關的論文，4篇為研究論文，1篇為研究評述。其中，2篇是關于石墨烯或石墨（多層石墨烯）中的凝聚態物理研究，3篇是關于碳對全球氣候的影響。現簡要摘錄如下，希望對相關領域研究人員有所啟發。
1. Nature：在屈曲結構石墨烯中發現平帶和強相關相
在石墨烯等二維原子晶體中產生平帶，賦予了材料更多新奇的性質和功能。平帶促進了電子與電子的相互作用，可以導致強相關相的出現，譬如超導。實現平帶的一種常見的方法是通過控制魔角石墨烯的扭曲角度，然而其操作要求過于嚴格和精準，不利于廣泛使用。
有鑒于此，美國美國羅格斯大學Eva Y. Andrei、Yuhang Jiang等人發展了一種不需要通過精準調控的新策略，可以更簡單的再二維原子晶體中實現平帶。石墨烯之父、諾獎得主Andre K. Geim教授作為共同作者參與本項研究工作。
研究人員使用掃描隧道顯微鏡和數值模擬證明，置于原子級平滑基底上的石墨烯單分子層會被迫進行屈曲轉變，從而產生具有周期性調制的贗磁場，從而反過來產生具有平帶的“post-石墨烯”材料。進一步，研究人員采用靜電摻雜的手段將費米能級引入這些平帶中，觀察到強相關狀態的出現。
總之，這項研究發現屈曲結構可以實現二維晶體的平帶和強相關態的出現，為創建新型超晶格系統提供了一種全新的策略。
參考文獻：
1. Jinhai Mao et al. Evidence of flat bands and correlated states in buckled graphene superlattices. Nature 2020, 584, 215–220.
https://www.nature.com/articles/s41586-020-2567-3
2. Nature：在多層菱面石墨中發現電子相分離
石墨具有兩種較為穩定的結構：六方晶系和菱面體。其中，六方晶系石墨已被廣泛研究，菱面石墨因為穩定性較差，迄今為止尚未進行詳細的研究。然而，大量理論預測表明，菱面石墨其中具有很多未可知的新奇性質。近年來，范德華異質結技術的不斷發展使得制造厚達50個石墨烯層的高質量菱面體石墨膜并研究其傳輸性能成為可能。
有鑒于此，美國曼徹斯特大學Artem Mishchenko等人發現，菱面體石墨中的體電子態是有間隙的，而且，在低溫條件下電子傳輸受表面態支配。
基于這種拓撲特性，表面態具有足夠高的質量以觀察量子霍爾效應，即菱面體石墨在無間隙半金屬相和具有巨大貝里曲率的帶隙量子自旋霍爾相之間發生相變。研究發現，通過施加垂直電場破壞其反演對稱性，也可以在表面態中打開能隙。除此之外，研究人員發現，在小于4 nm的菱面體石墨中，即使沒有外部電場也存在間隙。這種自發的間隙開口顯示出明顯的磁滯現象和電子相分離的其他特征，研究人員認為這是因為高度相關的電子表面態的出現所導致。
總之，這項研究為菱面石墨的研究提供了新的借鑒，未開發具有更多新奇性質和物理現象提供了更多可能。
參考文獻：
2. Yanmeng Shi et al. Electronic phase separation in multilayer rhombohedral graphite. Nature 2020, 584, 210–214.
https://www.nature.com/articles/s41586-020-2568-2
3. Nature：碳如何引起海洋變暖？
人為造成的全球變暖與累積碳排放量成正比，這種關系部分取決于海洋對熱量和碳的吸收與存儲。海洋熱量和碳儲量的速率和模式受海洋運輸的影響，例如混合和大規模環流。但是，現有的氣候模型不能準確地捕捉到觀測到的海洋變暖模式，其對海洋環流和海洋熱量吸收的預測也大相徑庭。此外，評估海洋環流變化（特別是通過平流對流重新分配熱量）對觀測到的和模擬的海洋變暖模式的影響仍然是一個挑戰。
有鑒于此，牛津大學Ben Bronselaer等人基于熱-碳耦合揭示了環流變化如何引起海洋變暖。
研究人員根據人為排放量建立了海洋熱量和碳吸收之間的線性關系，這種關系主要取決于地球系統的固有參數，即海洋碳緩沖能力，二氧化碳的輻射強迫和海洋的碳存量。在第五個耦合模型比較項目（CMIP5）的觀測和全球地球系統模型中，研究人員利用這種關系揭示了二氧化碳強迫引起的海洋環流變化對海洋變暖模式的影響。研究表明，海洋變暖的歷史模式是由海洋熱量再分配所形成的，而CMIP5模型的模擬效果很差。但是，他們發現，預計的儲熱方式主要是由工業化前的海洋環流（以及未解決的海洋過程中的微小變化）決定的，即由海洋吸收過量的大氣熱量所導致。
總之，這項研究揭示了熱-碳耦合對環境的影響，使得海洋變暖模式可能變得更加可預測。
參考文獻：
3. Ben Bronselaer et al. Heat and carbon coupling reveals ocean warming due to circulation changes. Nature 2020, 584, 227–233.
https://www.nature.com/articles/s41586-020-2573-5
4-5: Nature：發現土壤中的碳可能對氣候變化產生重大影響
全球存儲在土壤中的碳，熱帶土壤中三分其一，研究認為，變暖導致的土壤有機物失穩會向大氣釋放更多的二氧化碳以加劇氣候變化。理論預測，相對于高緯度地區而言，變暖應僅引起熱帶土壤中適度的碳損失，但尚未在熱帶森林中進行變暖實驗來對此進行測試。
有鑒于此，英國愛丁堡大學Andrew T. Nottingham等人發現熱帶森林中土壤中的碳流失可能對氣候變化產生重大影響。美國馬里蘭大學環境科學中心Eric A. Davidson在Nature發文對此研究工作進行述評。
研究表明，巴拿馬巴羅科羅拉多島的低地熱帶森林土壤的原位實驗升溫導致土壤CO2排放量意外增加。與環境溫度下的土壤相比，兩年來整個土壤溫度升高了4℃，二氧化碳排放量增加了55％。額外的CO2來自異養而不是自養來源，相當于每年每公頃因土壤有機物分解而損失8.2±4.2噸碳（一個標準誤差）。在這段時間內，研究人員沒有發現呼吸速率的適應，沒有發現熱補償，也沒有發現酶活性的溫度敏感性發生變化，微生物碳利用效率也沒有變化。
總之，這項研究表明，熱帶森林中的土壤碳對變暖高度敏感，從而可能對氣候變化產生積極的潛在反饋。
參考文獻：
4. Andrew T. Nottingham et al. Soil carbon loss by experimental warming in a tropical forest. Nature 2020, 584, 234–237.
https://www.nature.com/articles/s41586-020-2566-4
5. Eric A. Davidson. Carbon dioxide loss from tropical soils increases on warming. Nature 2020.
https://www.nature.com/articles/d41586-020-02266-9
