除了制作貨幣，“幣金屬”居然還有這些妙用

2024 年 10 月 17 日，鄭州大學(xué)學(xué)術(shù)副校長(zhǎng)、化學(xué)學(xué)院院長(zhǎng)臧雙全在科普中國(guó)·星空講壇“魅力化學(xué)無(wú)限可能”主題場(chǎng)帶來(lái)演講《神奇的幣金屬》。

以下為臧雙全的演講節(jié)選：

“幣金屬”通常指的是用于制造硬幣的金屬材質(zhì)。常見(jiàn)的“幣金屬”包括銅、金、銀等。

PART1 “幣金屬”的化學(xué)特性及應(yīng)用

幣金屬在現(xiàn)代化工業(yè)中扮演著不可或缺的角色。首先，它們普遍具有良好的導(dǎo)電性，銅質(zhì)的電線和印刷電路板在生活中隨處可見(jiàn)，而銀和金也常用于制作特種導(dǎo)線。在我們的手機(jī)、電腦等設(shè)備中，這些金屬的身影無(wú)處不在。盡管金的價(jià)格遠(yuǎn)高于銀和銅，但其出色的化學(xué)穩(wěn)定性使得黃金薄膜在微電子領(lǐng)域中被廣泛用于制造高精度的電子線路和尾型電路，確保電子設(shè)備的穩(wěn)定運(yùn)行。此外，幣金屬在航空航天領(lǐng)域也應(yīng)用廣泛，因其耐高溫和耐腐蝕的特性，常用于制造飛機(jī)或航天器的器件。黃金薄膜還可用于制造航天器的太陽(yáng)能電池板，提高其能量轉(zhuǎn)換效率和耐久性。

除了以上通性，幣金屬還各有特點(diǎn)。例如，銅的熱傳導(dǎo)性非常好，因此可以作為散熱器材料，應(yīng)用于空調(diào)、汽車、電子產(chǎn)品等的制造。銅還因其出色的抗腐蝕能力，成為造船的標(biāo)準(zhǔn)材料之一，而且在日常使用中，銅管作為傳統(tǒng)水管件也是最耐用的。而銀呢，具有高的高光反射性，可以用于制造精密光學(xué)鍍膜、反射鏡等關(guān)鍵部件，在顯微鏡、天文望遠(yuǎn)鏡這些制造中不可或缺。高純度的銀粉是制造銀漿的主要材料，用于光伏電池的制造，每個(gè)光伏電池中大約含有20克的銀。金箔具有強(qiáng)烈反射和散射紅外光的能力，可以用于紅外線探測(cè)儀和反導(dǎo)彈裝置的制造。

在生命科學(xué)領(lǐng)域，幣金屬同樣不可或缺，例如，銅是人體必需的微量元素，參與血紅蛋白和鐵的代謝，影響鐵的吸收和儲(chǔ)存，因此在缺鐵時(shí)，我們不僅需要補(bǔ)鐵，還需要補(bǔ)銅。銅還參與構(gòu)成許多酶和活性蛋白質(zhì)，與DNA結(jié)合，維持核酸結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性。正常人體內(nèi)的含銅總量約為100-150毫克，其中約50%-70%在肌肉和骨骼中，20%在肝臟中，5%-10%在血液中，少量存在于銅酶中。成年人每日需攝取2毫克銅以滿足生理需要，否則銅的缺乏可能導(dǎo)致一系列嚴(yán)重的健康問(wèn)題。

銀的作用大家可能比較熟悉，它是一種天然、安全、高效的抗菌材料。在當(dāng)今的醫(yī)療體系中，銀制品被廣泛使用，例如0.5%的硝酸銀溶液用于燒傷和創(chuàng)傷治療，1%的硝酸銀用于眼藥水，10%的硝酸銀涂抹用于治療多種潰瘍，鍍銀物質(zhì)可制作縫合線、導(dǎo)管、敷料、水杯等。美國(guó)宇航局（NASA）將銀認(rèn)定為最安全的滅菌劑，以銀作為主要材質(zhì)制作宇宙船飲水容器和凈化器。全球半數(shù)以上的航空公司選擇以銀為主的純水系統(tǒng)。

黃金在醫(yī)學(xué)上的應(yīng)用也有數(shù)千年的歷史，其延展性、穩(wěn)定性和生物相容性使黃金廣泛應(yīng)用于牙科領(lǐng)域，用于牙齒修復(fù)。金合金制成的植入體在現(xiàn)代醫(yī)學(xué)中被廣泛應(yīng)用到多個(gè)領(lǐng)域，包括神經(jīng)修復(fù)、心臟起搏器等。此外，金還可以作為疾病檢測(cè)，在新冠疫情期間，我們使用的抗原檢測(cè)就是用抗體修飾的膠體金作為顯色成分，用以判斷是否存在待測(cè)的新冠特征標(biāo)記物。

PART2 化學(xué)，讓幣金屬有無(wú)限的可能

利用化學(xué)家的雙手，“幣金屬”又被賦予了更多的優(yōu)異性能。

化學(xué)，也稱為分子科學(xué)，其本質(zhì)就像用原子搭積木，排列組合制造出新的分子，獲取新的性能。在我們的研究中，我和我的研究團(tuán)隊(duì)利用幣金屬原子搭積木，制造了具有多樣結(jié)構(gòu)的新型幣金屬團(tuán)簇。例如，我們將六個(gè)銀原子按照正八面體的方式組合，并用有機(jī)小分子固定，得到了極強(qiáng)亮度的銀簇分子，這種分子具有高達(dá)95%的量子產(chǎn)率，能將吸收的幾乎全部光轉(zhuǎn)換為另一種波長(zhǎng)的光并發(fā)射出來(lái)，是一種非常有潛力的發(fā)光材料。在照明顯示、發(fā)光傳感、生物成像等領(lǐng)域展現(xiàn)出極佳的應(yīng)用前景，也是我們實(shí)驗(yàn)室制備的代表性明星團(tuán)簇分子之一。

再比如，我們將四個(gè)金原子按照平行四邊形的方式組合，并用有機(jī)分子固定，得到一種高亮度的金團(tuán)簇分子。由于金元素是一種重元素，能有效地吸收高能射線，使得這種金團(tuán)簇不僅在紫外光照射下可以發(fā)光，在X射線照射下也可以發(fā)出明亮的綠光。這種能將高能射線轉(zhuǎn)化為發(fā)光的材料，我們稱之為閃爍體材料，團(tuán)簇閃爍體因其優(yōu)異的特性，在X射線檢測(cè)儀、醫(yī)療放射成像儀器，甚至宇宙空間中的高能粒子探測(cè)中都顯示出廣泛的應(yīng)用前景。

前面的例子都是關(guān)于幣金屬簡(jiǎn)單的團(tuán)簇分子。那么，我們能否搭建更復(fù)雜的團(tuán)簇結(jié)構(gòu)呢？答案是肯定的。

我們首先構(gòu)筑了一個(gè)由十二個(gè)銀原子組成的銀簇，通過(guò)有機(jī)分子作為橋梁將這些銀簇連接在一起，得到了具有三維立體結(jié)構(gòu)的團(tuán)簇框架材料，就像用團(tuán)簇作為磚頭壘起的高樓大廈。這也是國(guó)際上首例報(bào)道的團(tuán)簇基框架材料。

有趣的是，這些團(tuán)簇基框架材料中存在許多孔洞，這些孔洞可以容納氧氣、氮?dú)獾瓤諝庵械姆肿?。?dāng)氧氣沒(méi)有進(jìn)入孔洞時(shí)，材料會(huì)發(fā)光，而一旦氧氣分子進(jìn)入孔洞，發(fā)光就會(huì)消失。通過(guò)測(cè)試這些框架材料的發(fā)光性能，我們可以直觀了解環(huán)境中氧氣的含量，也就是說(shuō)，這種團(tuán)簇基框架材料是一種非常好的氧氣傳感器，能探測(cè)到環(huán)境中百萬(wàn)分之一的氧氣。

如大家所見(jiàn)，無(wú)論是本身的元素特性還是特定的原子組合，幣金屬總能給我們帶來(lái)各種驚喜。從古至今，從常見(jiàn)的生活用品到各種高精尖裝備，從發(fā)光材料到深空探測(cè)，幣金屬展現(xiàn)了無(wú)限的應(yīng)用可能。然而，對(duì)于幣金屬還存在許多未知領(lǐng)域，例如幣金屬在生命過(guò)程中還有哪些不為人知的重要影響？單個(gè)團(tuán)簇的體積能有多大？它的極限在哪里？我們都不知道。幣金屬團(tuán)簇作為催化劑還能展現(xiàn)出哪些振奮人心的特點(diǎn)？這都還有待未來(lái)去探索發(fā)現(xiàn)！