黄金:一种贵重金属的灿烂未来(下)

【尽管大多数时候被用作首饰和货币,黄金在各种技术领域仍然发挥着巨大的作用,特别是黄金的一种新的形式——黄金纳米粒子——所体现出来的许多独特性质有望在不久的将来更好地改善我们的生活】

(本文主要根据英国《自然》杂志近期的增刊:Gold: A precious metal with a bright future (见Nature 2013, 495, S1-S16)编译整理,来自于该增刊的数据和图表文中不再特别注明)

不同类型的黄金纳米粒子的溶液能够呈现不同的颜色

即便是在科技高度发达的今天,绝大部分的黄金仍然被用来加工珠宝或用作货币货币(图1)。虽然仅仅10%左右的黄金被用在除此之外的各种技术领域,它带给我们日常生活的影响仍然是巨大的。例如,由于良好的导电性和化学稳定性,黄金被大量应用于各种电子产品。在未来,黄金还会通过一种许多人并不熟悉的形式——黄金纳米粒子——来发挥更大的作用。

图1 2011年世界范围内不同领域对黄金的需求

那么什么是纳米粒子呢?这是一个在材料科学领域发展迅速的概念,它一般指的是至少在一个维度上的尺寸在100纳米或者更小的颗粒,比如一个直径70纳米的黄金小球就是典型的纳米颗粒。要知道一纳米仅仅是一米的十亿分之一,这些粒子有多么小就不难想象了。一般而言,这么小尺度的粒子并不稳定,它们容易互相聚集而变得更大。不过,科学家们已经开发出了许多成熟的技术,能够非常方便地得到形状大小各异的许多不同材料的纳米粒子并使得它们稳定存在,特别是可以稳定地分散在水或者其他溶剂中。

在这样异常微小的尺度上,许多物理、化学性质都发生了奇妙的变化,而正是这些奇特的性质让纳米粒子能够实现一些新的应用。黄金纳米粒子一个非常引人瞩目的地方就是不同类型的黄金纳米颗粒可以展现出不同的颜色,这在宏观世界里是很难想象的。例如一块黄金固体,无论我们把它做成戒指还是拉伸成金箔,我们始终看到的是耀眼的金黄色。然而我们如果把它变成纳米颗粒分散在水或是其他溶剂里,我们看到的却很可能是红色或者蓝色,这又是怎么回事呢?

大家都知道,可见光包含了波长在400-700纳米范围的电磁波。在这个范围内,不同波长的电磁波会让人感觉到不同的颜色,但当他们均匀到达人的眼睛的时候,我们感觉到的是白色。我们日常生活中见到的大部分自身都不能发光,我们之所以感觉它们的颜色不同,是因为它们能够选择性地吸收或者反射、散射可见光中某些特定波长的光。也就是说,可见光经过这些物体之后,只有一部分波长的电磁波到达了我们的眼睛。比如,黄金固体能够选择性地反射波长较长的光特别是黄光,所以会呈现出金黄色。相比之下,银、铝等金属的固体会均匀地反射各种波长的可见光,所以我们看到的是银白色(图2)。[1]

图2 黄金和白银对不同波长的可见光的反射。引自文献[1]

黄金纳米粒子颜色的来源也是基于上面提及的原理,但是又有其独特之处。当可见光照射到黄金纳米粒子表面时,某些特定波长的光能够诱发金属的自由电子发生共振,这被称为表面等离子共振效应。这种效应的结果是这种特定波长的光被纳米粒子强烈吸收,从而使得黄金纳米粒子呈现出颜色,并且往往是不同于黄金固体的颜色。例如,直径13纳米的球形黄金纳米粒子能够强烈吸收绿光。当我们把这样的黄金纳米粒子分散在水中时,我们看到的就不再是金黄色,而是鲜亮的红色(图3)。纳米粒子的表面等离子共振效应受到纳米粒子的尺寸、形状以及它们所在媒介的影响,当许多纳米粒子互相靠近的时候,它们之间的互相作用也会使得颜色发生变化。这样,我们可以非常方便地调节黄金纳米粒子的颜色。例如某种黄金纳米粒子分散在柠檬酸水溶液里时会呈现红色,而只要我们向水中再加入氯化钠,溶液就会成蓝色(图4)。需要说明的是,其他一些金属的纳米粒子也会由于表面等离子共振效应展现出不同的颜色,但黄金纳米粒子由于其简便的制备和化学修饰和良好的化学稳定性更加受到科学家的青睐。另外,纳米粒子还可以选择性地散射某些波长的光,也就是让某些波长的光更加强烈地偏离原来的传播方向,这也会导致它们呈现出不同的颜色。尤其是当纳米粒子既能选择性吸收某些波长的光,又能选择性散射某些波长的光时,观察者在不同角度可能会看到不同的颜色。[2]

图3 某种黄金纳米粒子分散在水中形成的溶液(注:严格讲应该称为悬浮液,但文献中经常称纳米粒子的这种体系为溶液)对可见光的吸收情况以及呈现出的颜色。引自文献[2]

图4 左:分散在柠檬酸水溶液中的某种黄金纳米粒子的颜色。右:向溶液中加入氯化钠后的颜色。引自文献[3]

那么,这种颜色能够随意变化的黄金纳米粒子能够帮我们做什么呢?有的人可能会说,可以做染料啊。这确实是一个不错的想法。我们目前使用的染料大都是一些具有特定结构的有机化合物。为了得到不同的颜色,我们必须合成不同的化合物,这在许多情况下是比较费时费力的。而对于黄金纳米粒子,情况就不同了,通过我们可以通过改变它们的形状或者尺寸更加方便地得到想要的颜色。实际上很早以前人们就已经懂得利用黄金或其他金属的纳米粒子来得到特殊的颜色了。例如,生产于公元4世纪的古罗马的一只名叫Lycurgus cup的玻璃杯由于玻璃中掺入了黄金和白银的纳米粒子而具有独特的颜色:光从外面照射时,玻璃杯呈现绿色;当光从玻璃杯里面向外照射时,杯子又变成红色了。

图5 Lycurgus cup在光从外部照射(a)和从内部照射(b)时呈现出的不同颜色。引自文献[4]

不过,仅仅拿黄金纳米粒子当染料或者颜料用未免有点大材小用了,它们选择性吸收某些特定波长的光这个特点还可以帮助我们实现许多更重要的功能。比如,科学家们正在研究利用黄金纳米粒子以及其他类似的金属纳米粒子来提高太阳能电池的效率。太阳能是一种重要的清洁可再生能源。常见的太阳能电池利用硅这种半导体材料将太阳能转化为电能,这类电池的能力转化效率还算可以,但是一大局限是这类太阳能电池使用的晶体硅生产成本较高,而且笨重易碎,在很多场合的应用受到局限。使用半导体或者高分子材料的薄膜代替晶体硅能显著降低生产成本,而且这些类型的太阳能电池比较柔软,可以应用在更多场合,比如我们可以把这样的太阳能电池缝在衣服上或者书包上。但是这些新型的薄膜太阳能电池的能量转化效率往往远低于基于晶体硅的太阳能电池,一个主要原因就是过薄的电池对日光的吸收大大降低。由于黄金纳米粒子能够强烈吸收某些波长的可见光,它们加入到太阳能电池之后有可能通过增加对日光的吸收来提高太阳能转化的效率。有报道表明,黄金纳米粒子能够将薄膜太阳能电池的能量转化效率由5.22%提高到6.24%。这个数字看起来微不足道,却已经是一个非常不错的成绩。

前面提到,黄金纳米粒子的颜色不仅取决与自身的形状和尺寸,对外界环境的变化以及粒子之间的相互作用也非常敏感。利用这一特点,我们可以更加迅速而便捷地检测某些化学物质的存在,特别是在医学领域,这种检测方法非常有用。依靠目前的生化检测方法,我们往往要花上几天时间才能检测出某些致病细菌的存在,而有了黄金纳米粒子,这个进程可以大大地加快。我们可以在黄金纳米粒子表面连接上一些特定的DNA或者RNA片断,这些DNA或是RNA片断能选择性与另一些DNA或是RNA片断,例如来自某些致病细菌的DNA或是RNA片断发生作用。这种作用能导致黄金纳米粒子之间发生聚集从而颜色发生变化。(图6)这样我们就能很方便地了解到这些细菌是否存在,之后医生可以根据检测结果进行对症治疗。与传统的检测方式相比,通过黄金纳米颗粒来检测能够大大缩短检测时间,特别是便于落后或是偏远地区的医生进行检测。基于纳米粒子的这种特性,目前一种名为Verigene的的检测仪已经被开发出来,并且已经得到美国食品药品监督管理局(FDA)批准用于临床。

图6 通过黄金纳米粒子颜色的变化来检测特定的DNA片断。引自文献[5]。

既然提到了医学,我们就继续谈谈黄金纳米粒子在这个领域的其他应用。除了提供快速便捷的临床诊断,人们还在研究利用黄金纳米颗粒更好地促进某些药物在体内的释放和吸收。例如,研究表明,肿瘤组织的血管壁上有许多微小的孔洞。如果我们把黄金纳米颗粒注射到血液中,这些纳米颗粒在随着血液流动的时候就很容易陷入这些孔洞,从而富集在肿瘤组织中。如果我们在这些纳米颗粒表面接上一些抗癌药物,这些纳米颗粒就可以非常准确地把抗癌药物输送到肿瘤组织里面去从而杀灭肿瘤组织。许多抗癌药物尽管对于杀灭癌细胞很有效果,但也会对正常组织产生很大副作用,这就大大限制了这些药物的临床应用,而将这些抗癌药物连接到黄金纳米粒子表面能够大大降低这些副作用,从而帮助人们更好地征服癌症。

前面提到了黄金纳米颗粒在医疗领域的许多独特的优势,有的朋友可能会说,黄金纳米颗粒真是个好东西,但是黄金可是贵重金属啊,用它开发出的药物或者其他医疗技术恐怕一般人承受不起吧?事实并非如此,由于纳米颗粒的体积很小,非常微量的黄金就可以做许多的事情。例如有研究人员估算过,如果把一枚金戒指转化成黄金纳米颗粒,这些纳米颗粒足够完成3500万次医学测试。可见,黄金本身的成本并不会阻碍它在医学领域的应用。还有的朋友可能会问,这些黄金纳米颗粒有没有毒副作用呢?这确实是一个好问题。目前的研究表明,虽然某些类型的黄金纳米颗粒能够引起免疫系统不同程度的反应,但总的看来黄金纳米颗粒用于人体医疗是相当安全的。

黄金纳米粒子还可以用作高效的催化剂。把一根金条暴露在空气中或者浸在水下很长时间,它也不会锈蚀——黄金的化学性质非常稳定。然而当我们把它的尺寸缩小到几十甚至几个纳米时,这些黄金纳米粒子却可以变得非常活泼,能帮助我们完成很多化学反应。例如,黄金纳米粒子催化剂可以高效地把一氧化碳转变成二氧化碳。这种催化剂已经被安装在一些赛车上,防止驾驶员遭受一氧化碳中毒。

黄金纳米粒子的种种独特的应用使得黄金这种伴随了人类上千年的贵重金属在21世纪散发出更加耀眼的光芒。当我们享受着科技的进步给我们带来的舒适生活的时候,千万不要忘记这里面也有黄金的一份功劳呢。

参考文献

[1] What causes the colors of metals like gold?

[2] Plasmonic Nanoparticles: Color Engineering

[3] Quantum Dots & Nanoparticles

[4] Ian Freestone, Nigel Meeks, Margaret Sax and Catherine Higgitt, Gold Bulletin, 2007, 40, 270.

[5] Mrinmoy De, Partha S. Ghosh, and Vincent M. Rotello, Advanced Materials, 2008, 40, 4225

 

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目前评论:4   其中:访客  4   博主  0

  1. avatar 物理狂想曲 1

    希望这儿成为自然和科学杂志的中文版

  2. avatar 莫小雅博客 0

    我博客刚更新了一篇文章,过来看看你的博客。

  3. avatar 西鹤龄堂 3

    真奇妙,

  4. avatar 匿名 5

    我的疑问是古罗马人怎么获得的黄金白银纳米颗粒。

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