瀉藥也能當電子元件？看氧化鎂 (MgO) 有多厲害！

在日常生活中，氧化鎂（MgO）作為抗酸劑和輕瀉劑，緩解胃部不適並促進腸道健康，同時是人體所需的重要營養補充劑。在材料科學中，MgO的鹽岩結構賦予其優異的機械強度、絕緣性及導熱性，使其成為奈米科技中不可或缺的材料，應用於電子元件中的絕緣層、散熱層及磁性隧道接面中。直到2024年的研究，科學家發現透過調控MgO表面的氧缺陷，能提升其在燃料電池中的催化活性，加速氧還原反應（ORR），增強燃料電池的轉換效率，因而促進綠色能源技術的發展，然而，隨著奈米科技的進步，MgO在微小尺度下的缺陷控制仍是一大挑戰。

撰文｜黃鼎鈞

你是否曾經想過，普通藥櫃裡的抗酸劑，竟然與最尖端的電子科技有關係？一種名為氧化鎂 (Magnesium Oxide, MgO) 的物質，從緩解胃酸到奈米科技都有著它的身影，MgO到底有什麼十八般武藝，能被我們廣泛地應用在各個場景之中？

MgO是一種醫療用藥

提到MgO，許多人第一時間可能會想到醫藥用品，尤其是在消化系統相關的藥品。MgO是一種弱鹼性物質，能夠中和酸性物質，它能與鹽酸 (HCl) 反應生成MgCl₂和水 (H₂O)，因此常被應用在中和胃酸以及緩和胃食道逆流的症狀上。不只如此，MgO在腸道中會形成Mg²⁺和OH^-的溶解狀態，使腸道中的滲透壓提高，吸引水分進入吸引水分進入腸道之中，進而使腸道內容物，也就是糞便，更多的與水分結合，而達到軟便的效果，因此MgO也被用作輕瀉劑，幫助排便順暢。同時，MgO常見於各類營養補充品中，Mg是人體必需的礦物質，參與多種酶促反應，對於維持神經功能、肌肉收縮和骨骼健康有相當的助益，對於經常運動的人群，適量的MgO補充有助於緩解肌肉痙攣並提升運動表現。

MgO在材料科學上的應用

MgO具有立方晶系的鹽岩結構 (Rock Salt Structure)，其晶格常數約為4.21 Å。每個鎂離子 (Mg²⁺) 與六個氧離子 (O^2-) 配位，形成穩定的三維晶體，這種高度對稱且緊密排列的結構使得氧化鎂有著優異的機械強度，能夠抵抗外力變形，因此，氧化鎂在高溫、高壓下仍能維持穩定性，不易分解或崩解，這也使得它被應用在防火材料與高溫絕緣層的應用之中。

就電性來說，MgO是一種寬能隙 (Wide Bandgap）材料，其能帶寬度 (Bandgap) 約為7.8 eV，屬於絕緣體，在高溫、高電場環境下，MgO仍能維持良好的絕緣性，這使得它被廣泛應用在電子元件之中，像是在場效電晶體 (Field-Effect Transistor, FET) 中，MgO可作為電路元件之間的絕緣層，防止電流洩漏，提升元件的穩定性與效率。不僅如此，因MgO其能承受高電場且不產生導電現象，確保電路在高壓條件下運行穩定，有助於提高元件的性能與壽命。

除了傳統的電子元件外，MgO還可以作為自旋電子元件中磁性隧道接面中的穿隧絕緣層，磁性隧道元件(Magnetic tunnel junction, MTJ) 是利用量子力學中的穿隧效應而形成的元件（可參考：穿牆超能力？量子物理的穿隧效應），穿隧效應指出電子仍有一定的機率能夠通過絕緣層，由於MgO是有序的晶格結構，能夠提高與元件電極的匹配度，進而大幅提升元件的穿隧效率，這也使得MgO成為次世代非揮發性記憶體（如MRAM）的關鍵材料。

有趣的是，雖然MgO不導電，卻非常的導熱。MgO的熱導率高，在室溫下約為60 W/mK，並且具有高度的熱穩定性，作為元件絕緣層的同時又能作為元件散熱層，協助元件散熱避免高溫環境降低了電子元件的表現，因此，MgO常被應用在高功率的半導體以及LED之中。

MgO的最新研究

MgO至今仍被科學家不斷地研究著，在2024年《Journal of Applied Physics》期刊中就指出，透過不同的熱處理能夠調節MgO中氧缺陷的生成，氧缺陷指的是，在晶格中原本該要有氧原子的地方卻沒有氧原子，而氧缺陷會改變MgO的能帶寬度，影響其絕緣性質，不只如此，適當的氧缺陷還能增強MgO的極化能力，藉此增加了其電容量，可以儲存更多的電荷，看來有缺陷的MgO不見得比完美的MgO差啊! 2024年《Science Advances》指出，MgO晶體的表面缺陷能有效幫助氧分子解離為氧原子，因為這些缺陷降低了氧還原反應 (ORR) 的活化能，從而提升反應速率。這一發現促進了燃料電池的發展，在燃料電池中，氧分子在陰極與質子 (H⁺) 和電子 (e⁻) 結合生成水 (H₂O)，該過程具有較高的活化能，但透過調控MgO表面的缺陷，可促進氧分子分解為O₂⁻，加速整個反應過程，提高燃料電池的效率。

MgO在醫療藥物和電子工業上都已被廣泛的應用，然而，當奈米科技追求更薄更小的元件之時，MgO卻面臨了其限制，因為隨著MgO體積的縮小，材料的缺陷也會大幅增加，儘管缺陷能造成意想不到的物理特性，但也成為了一個不可控的變因，要如何系統性的控制缺陷比例仍是在製備上的一大挑戰，不過，這一個環境友善與人體友善的物質，絕對是值得科學家繼續入研究的好材料啊！

✨延伸閱讀：《穿牆超能力？量子物理的穿隧效應》

參考文獻

1. Mori, H., Tack, J., & Suzuki, H. (2021). Magnesium oxide in constipation. Nutrients, 13(2), 421.
2. Izzo, A. A., Gaginella, T. S., & Capasso, F. (1996). The osmotic and intrinsic mechanisms of the pharmacological laxative action of oral high doses of magnesium sulphate. Importance of the release of digestive polypeptides and nitric oxide. Magnesium research, 9(2), 133-138.
3. Zheng, L., Zhao, S., Li, Y., Xu, J., Yan, W., Guo, B., ... & Jiang, Q. (2024). Engineered MgO nanoparticles for cartilage-bone synergistic therapy. Science Advances, 10(10).
4. Niwa, M., Yasui, A., Ikenaga, E., Honjo, H., Ikeda, S., Nakamura, T., & Endoh, T. (2019). Change in chemical bonding state by thermal treatment in MgO-based magnetic tunnel junction observed by angle-resolved hard X-ray photoelectron spectroscopy. Journal of Applied Physics, 125(20).