被严重低估的科技金属——金

Lv.27微波波长

牛顿

在所有的金属元素中，黄金或许是最受人们喜爱和追捧的那一个了，它很稀缺，很闪亮，很值钱。每当人们谈到黄金时，常常就等于谈到了货币、财富或者珠宝。不过，如果有人问，黄金有什么科技价值，则很少有人知道。
实际上，在现代，黄金早已成为推动科技发展的无价之宝，它们在电子、建筑、航天以及医疗领域中都发挥了巨大的作用。可以说，科技领域中的黄金，远比仓库里的储备金或者商场里的金饰品更加珍贵。
高端电子产品的首选材料
黄金因为稀少而显得珍贵，然而，大多数人并没有觉察到，在生活中，黄金其实到处都有，它就隐藏在人们身边的电子产品中。科学家就曾做过估计，一部智能手机中约含有0.034克黄金。
那么，黄金在电子产品中发挥什么样的作用呢？我们知道，电子产品是由大大小小的电子元件和电路板组成的“整体”，而电子元件和电路板又由无数的导线、开关、焊接点或者插销连接起来，这就要用到金属导体，比如金、银和铜。金的导电性稍逊于银和铜。不过，在电子行业飞速发展的今天，人们对于电子产品的要求越来越高。比如，手机和电脑的重量要更轻，外观要更小巧，电子信号的传递要更畅通，其他性能也要更稳定、更可靠。面对更高的要求，金就显示出了相对于银、铜的巨大优势。首先，黄金是柔韧的金属，延展性非常好。1克黄金可以拉长成为4000米长的金丝，由1吨黄金拉成的细丝的长度，等于从地球到月球来回5次的距离。高级电子产品想要变轻、变小，那么电子线路就要做得精密，某些部位需要用极细的导线连接起来。如果用铁、铜、铝等金属材料制作导线，根本拉不到足够细，导线就断了，而金导线则不会出现这种问题。
其次，要表扬一下金的稳定性。为了让智能手机或高端电脑适应各种工作环境，它们的内部线路会经受高温、低温、湿气以及腐蚀性污染物的考验，最需要的就是稳定。金、银、铜都是优秀的导体，但金的稳定性远胜过后两者。科学测试表明，在-55℃～200℃之间，金一直具有稳定的导电性。
又比如耐腐蚀性和耐氧化性，黄金是惰性金属，历来不怕酸碱，而且俗话说，“真金不怕火炼”，即使黄金被熔化，它降温凝固之后仍然是纯金。既然熔化时都不会氧化，那么在电子产品中就更不会被氧化了。而电路板中的细导线，如果使用铁、铜、铝等金属材料做，就算可以做那么细，也容易被腐蚀、氧化，时间长还是会断掉。为了防止因腐蚀、氧化而造成接触不良，高端电子元件的管脚即使是用铜、铁来做，也会在表面镀上一层黄金。
高科技工程的涂层
黄金的延展性、导电性和防腐性使它成为制作高规格电子元件的首选材料，基于同样的原因，黄金还广泛应用于高科技工程及严酷环境当中，包括航天工程、太空探索和建筑工程等。
我们还是先从延展性说起，柔韧的黄金既可以拉成细丝，也可以制作成极薄的金箔或薄膜。比如，通过捶打或轧制，1克黄金能延展成１平方米的金箔，20万张这样的金箔叠起来也只有1厘米厚。又比如，制造黄金薄膜的方法是“真空镀膜”，也就是在真空条件下加热黄金，使之汽化，然后冷却凝固到工程设备表面的一种工艺。在航天工程中，黄金首先可以作为润滑剂来使用。航天器都有着极其复杂的结构，比如温度控制系统、卫星搭载系统、天线系统、太阳能电池帆板系统以及光学仪器驱动系统等，系统内部以及不同系统之间需要通过轴承、转盘等机械来支撑、连接。在太空环境中，机械所用的传统有机润滑剂会变得非常不稳定，并且容易分解，如果使用以稳定的黄金为主要成分制作的固体润滑剂，则可以满足航天器在太空苛刻条件下的润滑需求。所谓黄金制成的固体润滑剂，就是用非常薄的黄金薄膜覆盖在运动机械的表面，从而起到了润滑剂的作用。
黄金还可以给航天器提供辐射保护。这是由于黄金具备非常独特的光学性质，它可以吸收紫外光和可见光，但对于红外光的反射能力接近100%。在太空工作的航天器由于没有大气的保护，会受到来自太阳和其他恒星的辐射。利用黄金来反射太空中的红外辐射，则可以保护航天器以及航天员免受红外辐射的伤害。比如，在航天器表面喷镀一层很薄的黄金涂层，则可以大幅度降低航天器内部的温度，从而保证航天器的正常工作，在航天员头盔的护目镜上镀一层薄薄的黄金，既可以使航天员看清楚外面的世界，又可以防止航天员被红外辐射灼烧。
太空探索也使用了黄金涂层，最典型的例子就是计划于2021年10月发射进入太空的詹姆斯·韦伯太空望远镜，其主要任务是搜索宇宙早期形成的第一批星系，主要观察波段为可见光金色段到中红外波段。这台人类最先进的太空望远镜借助了黄金对红外光反射效率高的特性，在其18块六角形的主镜片上镀有一层极薄的黄金涂层，用以提高望远镜的清晰度。而且，为了让望远镜能够保持接近绝对零度的最佳工作温度，望远镜的冷却管上也涂上了黄金薄膜，用来隔绝热辐射。
同样，黄金特殊的光学性质也使其成为地面环境工程师们非常重视的一种涂层材料。只要在窗户上涂上一层薄薄的黄金，能有效反射热辐射，帮助建筑实现冬暖夏凉，从而降低能源消耗、减少碳排放。加拿大多伦多皇家银行广场的14000扇窗户都镀有黄金涂层，总共使用了70千克纯金；中国紫禁城的古老建筑则使用了薄至0.12微米的金箔作贴膜，这种金箔几乎是透明的，能透过蓝绿色的光，其贴在建筑物上，不仅显得华贵，而且有绚丽的调光功能。
医疗领域的多面手
黄金在医疗保健和药物领域也颇具影响力，这种金属数千年来一直与健康联系在一起。比如，由于黄金拥有美丽的光泽以及出色的生物相容性，它被用于牙科的历史已经十分悠久了。
几十年来，世界各地的监管机构已经批准了一系列新的与黄金相关的诊断工具和疗法。例如，20世纪80年代，一种口服小分子含金化合物就作为治疗类风湿性关节炎的药物而获批上市，目前有临床试验测试其在治疗卵巢癌和痢疾等疾病的效果，医学界对它的兴趣一直没有减退。还一种叫作“兔眼症”的面部神经疾病，使得患病者无法完全闭上眼睛，这种疾病可以在上眼睑中植入少量黄金来治疗，其原理就是利用重力来帮助眼睑完全闭合。一些医疗植入物选择了使用黄金涂层，胰岛素泵作为一种医疗设备，在糖尿病治疗过程中可提供精确剂量的胰岛素。如果在胰岛素泵的电池外壳镀上一层金涂层，则可以提高其防腐蚀能力。近些年来，金纳米粒子在医学领域的应用发展很快，并已取得了一系列令人瞩目的研究成果。金纳米粒子是黄金的纳米级颗粒，其粒子尺寸一般在1～100纳米之间，比人类头发的直径还要小数千倍。纳米尺度的金粒子具有特殊的物理性质和化学性质，它可以吸收和反射特定波段的光，能随着自身形状和尺寸的变化而呈现出不同的颜色，同时对外界环境的变化以及粒子间的相互作用非常敏感，这样的特点赋予了金纳米粒子在医疗检测和医学成像方面的独特优势。
早在几年前，通过金纳米粒子检测早期癌症的方法就已经通过人体测试。原理也很简单，癌细胞的DNA具有与金纳米粒子结合成特殊3D结构的能力，当癌细胞的DNA存在时，金纳米粒子会改变颜色，所以科学家可以在短短几分钟内快速地检测出癌症。如果将金纳米粒子做成检测工具，那么许多癌症之外的疾病的测试也可以考虑进去，如艾滋病、梅毒和疟疾的测试。如今，全世界的医疗组织每年用于在非洲和亚洲帮助诊断疟疾的金纳米粒子检测工具就有数亿份之多。金纳米粒子在医学领域最令人期待的前景是用于癌症的治疗。理论上，把黄金加工成特殊的金纳米粒子，它就一反常态，变得能够吸收大量红外线。然后，科学家把金纳米粒子做成抗癌药物，将其送至癌症部位，再接受红外线辐射。因人体正常组织几乎不吸收红外线而不受伤害，而金纳米粒子则因吸收红外线而被不断加热，最终就杀死了癌细胞。在将来，帮助人类战胜“死神”癌症的帮手或许就是黄金。
随着科技的进步，我们可以预见，黄金在科技领域的广泛应用也会得到进一步扩展。有理由相信，黄金还会有很多我们意想不到的全新用途面世，为人类造福。
—选自中科院物理所