【材料科技】像金一樣的銀粒子
■科學家發現銀的奈米簇(nanocluster)跟金奈米簇的光學性質及晶體結構相差無幾。連參與這項研究的人都以為自己錯拿成金，沒想到竟然是銀！
撰文｜方程毅
人類自古以來妄想點石成金，雖然被化學家證明這個願望不可能實現，但現在卻有人能「點銀成金」。來自沙烏地阿拉伯阿卜杜拉國王科技大學(King Abdullah University of Science and Technology (KAUST))的研究團隊最近發現銀奈米簇的光學性質、電子組態及晶體結構幾乎與金一模一樣，相當不可思議。
具有金性質的銀奈米團簇為 [Ag25(SPhMe2)18]-，總共有25個銀原子，外圍包覆一些有機物SPhMe2 ，2,4-二甲基苯硫酚 (2,4-dimethylbenzenethiol)，這些有機物叫做配體 (ligand)，它們能跟中心金屬原子形成鍵結，進而穩定整個結構。至於為什麼說[Ag25(SPhMe2)18]- 像金一樣，是因為有另一個相對應的金奈米簇[Au25(SPhMe2)18]- ，兩者都以負一價存在且性質極為類似。一般來說銀奈米簇都是紅色或棕色，但神奇的是[Ag25(SPhMe2)18]- 跟[Au25(SPhMe2)18]- 的吸收光譜幾乎一樣，顏色都呈現黃色，而黃色為大部分金奈米簇呈現的顏色，所以才會說這是個具金特性的銀粒子，這項研究被發表在《美國化學學會期刊》。(Journal of the American Chemical Society, JACS)，同時也獲得《Phys.org》報導，而且這篇論文的標題還下得恰到好處：The “Golden” Silver Nanoparticle。
要了解為什麼會有這個現象，必須先了解一個概念：超原子(superatom)。超原子簡單來說就是數10個到上百個原子形成一個集團，這個團簇會像一個超大的原子，具有特殊性質及電子組態，呈現的顏色跟組成方式已經跟原本原子大不相同。但這些團簇並不是任意個數都可以組成，而是有固定數目，例如鋁就喜歡以 Al7、Al13、Al14存在。因為超原子已經不具有本身性質，而是像一個新的原子一樣，所以有自己的電子組態及價數，例如：Al13喜歡以Al13– 存在，性質跟鹵素族類似，可以想像成一個超大鹵素原子。而超原子自己的電子組態也略有不同，通常超原子的電子組態只計算每個原子的價電子，而非考慮所有電子，例如：一個鋁有三個價電子(Al3+)，所以Al13一共有39個價電子，這些價電子形成的電子組態為1s2 1p6 1d10 2s2 1f14 2p5 (所以Al13喜歡以負一價存在，以形成2p6 )。
接著我們回到這個研究所提及的金跟銀。 [Ag25(SPhMe2)18]- 跟 [Au25(SPhMe2)18]- 這兩個超原子都含有25個中心原子、配體相同、電子組態相同、價數也相同，最神奇的是它們原子排列方式(晶體結構)也相同，研究人員利用X-光繞射技術(X-ray diffraction)鑑定，發現金跟銀的這25顆原子在三維空間佔據的相對位置都相同，這也就是為什麼這兩個超原子幾乎呈現一模一樣的性質，連顏色都非常接近。其實金跟銀還有許多超原子，常見的還有Ag44，Ag32， Ag29，Ag21，Ag16及Ag14；而金喜歡以Au38， Au102及 Au133存在。但就這麼剛好25顆原子加上SPhMe2這種配體所形成的架構如此接近。
主持這項研究計畫的Osman Bakr教授表示：「就某種程度上來說這像煉金術，但我們稱它叫奈米煉金術。」「當我們一開始看到分析光譜的時候，我們認為我們不小心誤拿到金的合成原料，以至於合成金的奈米簇。但我們再三驗證並重複實驗發現那真的是銀，而且性質跟金非常接近。對我們來說最驚訝的不是顏色相近，而是晶體結構都如此類似。」
雖然說這是「金一般的銀」但金跟銀本質上還是有許多差異，金本身是一個非常好的觸媒材料，對生物體也比較無害，所以常用於生物醫藥：但銀就具有細胞毒性，因此常作為抗菌表面。在這個研究被發表前，由於金跟銀兩者差異極大，普遍被認為兩者無法互相取代，但這項研究卻告訴我們金跟銀可以以極相似的結構存在，或許將來金跟銀在某些應用上可以互相取代，以避免傷害生物體或是保護生物體。
原始論文及圖片出處：
Joshi, Chakra P., Megalamane S. Bootharaju, Mohammad J. Alhilaly, and Osman M. Bakr. "[Ag25 (SR) 18]¯: The ‘Golden’Silver Nanoparticle." Journal of the American Chemical Society (2015).
參考資料：
- Khanna, S. N., and P. Jena. "Atomic clusters: Building blocks for a class of solids." Physical Review B 51, no. 19 (1995): 13705.
- 'Golden' silver nanoparticle looks and behaves like gold
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作者：方程毅 科教中心特約寫手，從事科普文章寫作。
