与生活息息相关的黄金高科技

纳米金在电子和光学领域的应用升华

2015年04月13日 8:59 3582次浏览 来源:   分类: 地质矿业

  金一直是电子行业应用的最重要金属之一,占工业生产黄金用量的很大比重。每年全球用于导电的金线、电镀材料、涂层材料等领域的工业用金量都在300吨以上,占工业用金的90%以上。但是物理压制的微米级金成本昂贵,生产厂家面临着巨大的市场竞争压力,寻找替代材料的呼声不断。随着纳米金的崛起,生产厂家把更多的精力投入到对纳米金的研发和推广使用中。
  先进电子材料
  在传统工业中,线路板印制是电子行业的基础工程。目前,该工业中大量应用的是铜基线路板和银基线路板。金具有与其他金属材料的相容性,以及金本身所固有的耐久性,同时微量存在条件下仍表现出的优良可识别性,因此,纳米金在线路板方面的应用具有先天优势。
  但是纳米金的大规模使用也面临着制约,其“瓶颈”是如何简单的获取金基墨汁。在使用温度下,该墨汁要着色后迅速干燥,以方便应用于传统的喷墨打印机。
  据烟台大学化学化工学院、“泰山学者”特聘教授、山东省黄金工程技术研究中心主任祁彩霞介绍,美国一家名为南马斯特的公司,是在印刷导体、半导体和介质墨水产品领域的技术开发商,目前已经开始生产该类具有良好导电性能的金基墨汁。此种金基墨汁是金、银、铜的络合物或纳米粒子溶于有机或水溶液中,随后在一定温度下分解在塑料、纸张、陶瓷、玻璃等底板上形成导电膜。据统计,用于印制电子元件方面的油墨、基片和其它材料的产能规模有望达到上千亿美元,市场潜力巨大。
  最近,IBM展示了一种最新的纳米打印技术,引起了金融、光学和生物传感器领域的打印技术的全面革新,标志着从传统印刷到高分辨纳米印刷的飞跃。例如,纳米太阳照片是通过精确的放置两万个金纳米颗粒得到的,每个金颗粒直径约60纳米。这种方法可以用于大规模生产,放置小至直径2纳米的颗粒以制作原子尺度的纳米线,可用于超小的光学镜头、生化传感器等电子产品上。这对金保持在电子行业的持续应用意义重大。
  此外,金在触摸显示系统也存在着很大的优势,被看作是稀散金属铟的替代元素。铟是制造智能手机触摸屏设备和电子油墨装置(如电子图书)的必须元素。随着智能手机的普及和电子图书人群的不断扩大,对于铟的需求急剧增大。但是铟的储量低,据估计铟的存量仅能维持未来15年的需求。因此,寻找铟的替代元素势在必行。最近的研究发现,经过特殊处理的纳米金颗粒具有类似于铟的特性,可以在部分领域代替铟。
  IT行业的发展已经进入大数据时代,随着人类对数据记录容量的要求持续增加,科学家们正在不断改进高密度数据记录材料。目前,DVD等记录材料是通过激光读取的,碟片表面由记录数据的磁道和空的磁道间隔组成。通过将金纳米电极安装到激光器上,可以使不同频率的激光发生极化,从而使其具有更高的识别能力,进而提高DVD的存储潜力。
  据祁彩霞介绍,目前韩国的三星集团正在将此技术商业化。与此相类似,在便携式存储设备如U盘中该技术也有很大的应用前景。
  装饰和光学材料
  人类对于纳米黄金的历史可以追溯到古罗马甚至古埃及时代,最近出土的罗马酒杯等小型玻璃器皿古文物,经考古验证生产于公元四世纪,表明当时的人们就已经能制备、应用纳米黄金。在制造花窗玻璃时,为产生红色或紫色的光泽,工匠们在制造工艺流程中加入很细的金粉,由于颗粒太大,金粉是直接镶嵌在玻璃中,所以镶嵌在玻璃里的金粉仍然呈现金色,但当金粉和玻璃一起熔融并冷却后,就会渗析出纳米黄金,从而使玻璃呈现鲜艳的洋红色。
  有关纳米金研究的最早文献记载可以追溯到1847年。19世纪的英国物理学家麦克·法拉第在用三氯化金还原出含有纳米黄金粒子的溶液时,观察到黄金在不同尺度大小下呈现不同的颜色,他把此种形态的黄金称为“活性金”。
  普通玻璃不能阻挡紫外线,建筑物外层安装过多的玻璃,会使建筑物内温度过高,造成了空调的大规模使用,从而大大增加了能耗。从20世纪60年代起,金开始被制成薄层,覆盖在普通玻璃上,用以提高建筑物的能量利用效率。安装的金薄层能够高效吸收紫外线,对可见光也有一定的吸收,从而可以有效地降低能源消耗。最近的研究发现,纳米级金颗粒被负载到普通玻璃后不仅保持了上述功能,而且还具有很高的颜色变化功能,可以根据需要改变建筑物的颜色。目前,像加拿大多伦多的皇家银行等一些世界著名建筑已经采用了此项技术。
  随着化石能源的逐渐枯竭,人类寻找替代能源的形势愈发急迫,太阳能技术正是替代能源的最佳途径,而拥有更高的能量效率是制约太阳能产业规模发展的关键环节。美国国防部高级研究计划局的一个新项目展示,通过纳米材料把阳光分解成不同的部分,让太阳能电池吸收某种特定的光谱颜色。能够提升太阳能电池板50%以上的效率。最新的研究发现,金纳米颗粒由于增强了太阳能电池对可见光的利用效率,从而非常显著地提高了其光电效率,在太阳能电池材料方面具有很好的应用前景。
  此外,由于粒度不同的纳米金胶体溶液,呈现出各种颜色,可以用来印染和制作高价值的时装布料等,在纺织行业也存在着很大的应用前景。

责任编辑:陈鑫

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