【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!

Credit: Osman Bakr, KAUST
Credit: Osman Bakr, KAUST

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。

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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:

  1. Khanna, S. N., and P. Jena. "Atomic clusters: Building blocks for a class of solids." Physical Review B 51, no. 19 (1995): 13705.
  2. '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。

 

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