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最薄黄金问世,厚度仅为指甲百万分之一,产业
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黄金,因其良好的延展和可锻性,可以打造出极薄且易于卷起的金箔。由于黄金本身的价值,以及加工后色泽金黄璀璨、光亮润泽柔软,在古代,金箔常被用来在庙宇和皇宫的建筑上做装饰。

一盎司的黄金(约 28 克)可锤锻至厚度约 76 纳米,面积近 10 平方米大。在明朝时期,宋应星在《天工开物》中就有所记载:“凡金箔每金七厘造方寸金一千片,粘铺物面,可盖纵横三尺。”

如今,工艺早已有质的飞跃。英国利兹大学(University of Leeds)的科学家们最近就创造出了一种只有两个原子厚度的新型黄金——这也是有史以来最薄的黄金。研究人员测量出黄金的厚度为 0.47 纳米,仅为人类指甲厚度的百万分之一。

这种新型的超薄黄金被认为是二维材料的一种,因为它仅由两层原子叠加而成。它所有的原子都是表面原子——表面之下没有隐藏的“大块”原子。它可以广泛应用于医疗设备和电子工业,也可以作为新的高效催化剂,加速工业过程中的许多化学反应。

这项“超薄金”研究近日发表在 Advanced Science 杂志上。论文的第一作者、利兹大学物理系和利兹医学研究所研究员叶孙洁(Sunjie Ye)博士表示:“这项工作是一个里程碑式的成就。”

图 | 叶孙洁与同事在实验室(来源:利兹大学/叶孙洁)

“超薄金”是如何炼成的

叶孙洁在回答 DeepTech 提问时表示,此次“超薄金”的发现,在制造方法上十分创新,水相常温一步合成,方法简便节能的同时成本较低,并且环境友好。“这样,我们的超薄金在产业化的角度就有非常好的前景。”叶孙洁说。

“超薄金”是在水溶液中合成的。首先将HAuCl4(四氯金酸)和Na3C6H5O7(柠檬酸钠)的水溶液依次加入到温度为 20℃ 的 MO(钼,0.21×10-3m)水溶液中。然后让所得到的混合溶液在该温度下保持静止(不受外界干扰)12 小时。再通过离心收集反应产物,然后用 Milli-Q 水(超纯水)洗涤数次直至上层清液变为无色。

图 | “超薄金”的合成路线图 (来源:Advanced Science)

最后,将离心的颗粒会很容易地再分散到 Milli-Q 水中,用于进一步表征。可以观测到,由于金的纳米尺寸,它在水中呈现绿色——考虑到它的形状,研究人员也将其戏称为“金纳米杂草”。

图 | 电子显微镜拍摄的图像:人工着色的“金纳米杂草”照片 (来源:Advanced Science)

图 | 电子显微镜拍摄的图像:揭示了金原子是如何形成一个高度有序的晶格结构的(来源:Advanced Science)

当然,从含金元素的无机物氯金酸开始,反应都是在一种“约束剂”的存在下而促成的,它使金元素被还原成金属形式。这种“约束剂”是一种化学物质,它是促使黄金形成一张只有两个原子厚的薄片的真正原因。

“这不仅开启了在现有技术中更有效地利用黄金的可能性,还为材料学家开发其他二维金属提供了一条新途径。”叶孙洁说,“这是一种可以创新纳米材料制造工艺的方法。”

优异的催化效率及产业化发展

研究团队通过实验测试表明,这种“超薄金”作为催化剂基质的催化效率是目前使用的金纳米颗粒的10 倍。同时,领域内科学家还认为,这种新材料还可以作为人工酶的基础,用于快速的医疗诊断测试和净水系统。

作为领导这项研究的利兹分子和纳米研究小组的负责人,Stephen Evans 教授认为,这种 “超薄金”在催化相关领域获得可观收益的原因,主要在其拥有非常高的表面积与体积比。

他说:“黄金是一种非常有效的催化剂。由于新制成的金纳米薄片非常薄,几乎每个金原子都可以参与催化。这就意味着整个过程会非常高效。”

从工业生产角度考虑,Stephen Evans 表示,研究团队通过实验数据得到的结果——在工业生产中可以通过使用更少量的黄金而获得同样的效果,这样当人们是在讨论一种贵金属的时候,就会有很大的经济优势。

此外,研究团队还进行了其他相关基准测试,结果显示该“超薄金”还可以作为高效的人工酶,有助于医疗诊断。同时,这种薄片还具有良好的柔韧性,这意味着它可以成为可弯曲屏幕、电子墨水和透明导电显示屏的电子元件的基础成分。

叶孙洁对 DeepTech 表示,这项研究十分贴近产业,虽然可触及的产业方向比较多,但最为接近的也是他们正在接触的,还是催化相关领域。至于在医疗设备和电子元件等领域的发展,她表示这部分内容会涉及专利及其保密条例,不方便具体回答。

或成二维材料家族的重要一员

二维材料的概念是伴随着 2004 年曼彻斯特大学的 Geim 小组用微机械剥离法成功从石墨中分离出单原子层的石墨材料——石墨烯(graphene)而提出的。

自从2010年 Andre Geim 和 Konstantin Novoselov 因此共同获得了诺贝尔物理学奖之后,科学家和产业界对石墨烯就开始了狂热的追逐。

在追逐石墨烯的同时,一大批石墨烯之外的二维材料也被相继开发出来。随后,其具有的诸多令人瞩目的物理、化学性质引起了材料科学家的广泛关注,同时它的机械和电子特性使其在柔性电子领域具有广阔的应用前景。

Stephen Evans 认为,对于他们制成的这种二维“超薄金”材料,人们会不可避免地将其与有史以来的第一个二维材料——石墨烯进行比较。

他说:“将任何一种新材料转化为工业产品都需要很长时间,你不能强迫它做你想做的一切。有了石墨烯,人们认为它可以用于电子产品、透明涂层,或者作为碳纳米管。由于石墨烯超强的强度,它甚至可以作为电梯将我们送入太空。”

“但是这些想法都需要时间,”Stephen Evans 说,“我认为对于二维超薄金,我们已经有了一些非常明确的想法,关于它在哪里可以被使用,特别是在催化反应和酶反应中。我们知道这将比现有技术更有效,所以我们相信人们会有兴趣和我们一起开发。”

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