【探索21-8】現代科技不可或缺的重要維他命──貴金屬與稀土金屬

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講師|優勝奈米科技有限公司總經理 許景翔
彙整撰文|魏妤亘

金屬,以具有良好的導電性、延展性及帶有光澤而聞名。在週期表上一個個看似僅帶有生硬讀音卻毫無生氣的金屬元素,實際上在生活當中如何被使用?金、銀除了為人們增添貴氣尊榮之外,還扮演些甚麼角色?鮮少人瞭解與關注的稀土金屬為何成為當前美中貿易戰的籌碼?講者許景翔在演講中一一揭開八大貴金屬與十七個稀土金屬的神秘面紗。

八大貴金屬中,除了包含人們所熟知的金(Au)、銀(Ag)之外,還包含了稱作「鉑系金屬」的釕(Ru)、銠(Rh)、鈀(Pa)、鋨(Os)、銥(Ir)、鉑(Pt)。貴金屬的密度、熔點與沸點都相當高,擁有出眾的化學物理穩定性,經常被使用在工業以及人類的關鍵技術發展上。貴金屬的發現最早可溯及距今8000多年前,出現在埃及以及保加利亞等文明的金,再來是6000年前被發現的銀。至於鉑系金屬們,則大約於距今270年前才陸續被發現。

所有金屬中導電性、導熱性與反射率皆排名首位的銀,從古自今,隨處可見其使用與存在。中國古代對銀的應用,最經典的例子莫過於銀針測毒,因古代砒霜中含「硫」,碰上銀之後會產生變黑的化學反應,讓古人們發明了銀針測毒的方法。現今社會,不論醫療產業中用以消毒的銀軟膏、工業的太陽能板、LED燈、IC導電架與經典Tiffany首飾中的925銀飾,都可見銀的大量使用。

金,俗稱「黃金」,從古至今作為地位、財富的象徵。然而,除了讓人感受到貴氣尊榮,舉凡人手一支的手機、健保卡、信用卡、充電器接頭、印表機墨水匣,其實都有金的存在。不僅如此,金奈米的使用也在生物醫療產業用於基因診斷以及病原偵測,帶來許多實質用處。

鉑系金屬中,最早被發現的是鉑,又稱「白金」。現今主要被應用在醫療產業如順鉑(Cisplatin)、卡鉑(Carboplatin)、澳沙粒鉑(Oxaliplatin)等抗癌藥物以及首飾上。釕與銠,因耐蝕性佳,前者經常被使用在電阻元件、鋼筆頭與硬碟中,後者則被使用在電鍍工業、車頭燈與汽車觸媒上。此外,擁有優秀儲氫能力的鈀,因能夠催化碳氧化合物,使空氣中的有機物可以被分解,與銠一起被廣泛應用在汽車觸媒上。至於作為週期表中密度最高的元素-鋨,除了被使用在指紋辨識上,也正被研究與嘗試使用在治療卵巢癌、直腸癌病患上。最後,以彩虹女神名字被命名的銥,被認為不屬於地殼中原本就存在的金屬,主要存在於大大小小的隕石坑與散落的碎片,非常稀有,最常被應用在海底電纜與飛機零件上。

接著,講者談到雖然有個稀字但實際並不稀有的「稀土金屬」。被歸類在稀土金屬的成員們主要由鑭系金屬 : 鑭(La)、鈰(Ce)、鐠(Pr)、釹(Nd)、鉕(Pm)、釤(Sm)、銪(Eu)、釓(Gd)、鋱(Tb)、鏑(Dy)、鈥(Ho)、鉺(Er)、銩(Tm)、鐿(Yb)、鎦(Lu)以及兩個過渡金屬釔(Y)和鈧(Sc)所組成,總共十七個元素。它們的顏色大多為銀白色,但氧化物顏色多元。最早的稀土金屬,從200年前左右被發現。其中,首先被分離出來的稀土元素是「鈰」,最後被發現的自然元素是「鎦」,而鉕則是美國科學家透過核反應才找到的人造元素。

稀土金屬的應用層面廣泛,舉凡國防工業、醫療保健、電子產品、光學產品、能源應用等面向皆可見其使用。舉例來說,每天使用的手機,因為添加了鑭而能夠增加亮度;釹被應用在麥克風、磁鐵、震動裝置上。運動場的照明燈其實有添加鈧,黃色的用料水彩有鐠,日本的永久磁鐵有釓,銪是彩色電視機的紅色螢光體,鋱是彩色電視機的綠色螢光體,鏑用在印表機的噴頭,鈥用在醫療打碎結石的雷射手術,醫美去斑也會用到鈥……。這些稀土元素的應用,與我們的生活比我們想像地還要靠近。

儘管全球的金屬蘊藏量並不少,但因使用量居高不下,也面臨了未來會用盡的危機。舉例來說,儘管在八大貴金屬中銀的產量最高,但在工業、電子產業與飾品的大量使用下,其蘊藏量被認為在未來一百年中就會用盡。稀土金屬則是雖然蘊藏量比貴金屬還多,但因分布不均的特性讓開採困難。此外,除了用盡的危機,在提煉這些金屬的過程,大多也需要使用高腐蝕性的溶液來進行。從這些省思與面向出發,有了「城市礦山」的概念,近年全球許多企業也嘗試加入循環經濟的概念在產品與發展中。

1998年,Paul Anastas和John C Warner兩位教授提出了「綠色化學」的概念,提倡使用無毒、低毒性的化學合成方法以及減少化學廢物的生成。在傳統提煉黃金的過程,大多需要使用王水、氰化物及汞齊法,然而,這些製程方法本身過程就會產生危害環境與人體的有毒物質。而講者許景翔本身,在深入思考與嘗試後,其團隊開發了現今稱為「環保剝金術」的無毒方法。透過這個技術,能夠高選擇性地從我們手邊的3C產品回收「金」,並做其他利用。除了金之外,其他如銀、鈀、鉑、釕、銠以及各種稀土金屬的環保分離方法也都已經存在或持續與各大學團隊共同研發。

本單元透過稀貴金屬發現的歷史、科技應用、環境安全、綠色化學,藉此讓大家能輕鬆了解八大貴金屬與十七個稀土金屬的重要性,期盼更多人瞭解其價值,並共同在綠色化學的概念下,投入更多環保科技研究,真心愛惜地球的資源。

 

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本文整理自:108/5/25由許景翔老師在臺大思亮館國際會議廳所主講之「為什麼稀貴金屬這麼重要?」演講內容。

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