通貨を作ることに加えて、「コインメタル」には実はこんな素晴らしい用途がある

2024年10月17日、鄭州大学学務副学長兼化学学院長の荘双全氏は、科学普及中国星空フォーラムの「魅力的な化学の無限の可能性」テーマセッションで「魔法のコイン金属」と題する講演を行いました。

以下は、Zang Shuangquan 氏のスピーチからの抜粋です。

「コインメタル」とは、一般的にコインの製造に使用される金属を指します。一般的な「コイン金属」には銅、金、銀などがあります。

PART1 「コインメタル」の化学的性質と用途

貨幣用金属は現代の産業において欠かせない役割を果たしています。まず、一般的に電気伝導性が良好です。銅線やプリント基板は生活のあらゆるところで見られますが、銀や金も特殊な電線を作るのによく使われます。これらの金属は、携帯電話、コンピューター、その他の機器のいたるところに存在しています。金の価格は銀や銅よりもはるかに高いですが、化学的安定性に優れているため、金薄膜はマイクロエレクトロニクスの分野で高精度の電子回路やテール回路の製造に広く使用され、電子機器の安定した動作を確保しています。また、コインメタルは航空宇宙分野でも広く使用されています。耐熱性と耐腐食性に優れているため、航空機や宇宙船の部品の製造によく使用されます。金のフィルムは宇宙船の太陽電池パネルの製造にも使用でき、エネルギー変換効率と耐久性が向上します。

上記の共通の特性に加えて、コイン金属には独自の特性もあります。例えば、銅は熱伝導率が非常に良いため、ヒートシンク材料として使用でき、エアコン、自動車、電子製品などの製造に使用されます。銅は耐食性に優れているため、造船用の標準材料の1つにもなっています。日常使用においては、銅管は伝統的な水道管継手として最も耐久性に優れています。一方、銀は光反射率が高く、精密光学コーティングやミラーなどの主要部品の製造に使用できます。顕微鏡や天体望遠鏡の製造には欠かせません。高純度銀粉は、太陽電池の製造に使用される銀ペーストを作るための主原料です。各太陽電池には約20グラムの銀が含まれています。金箔は赤外線を強く反射・散乱する性質があり、赤外線検出器やミサイル防衛装置の製造に使用できます。

生命科学の分野でも金属は欠かせません。例えば、銅は人体にとって必須の微量元素です。ヘモグロビンと鉄の代謝に関与し、鉄の吸収と貯蔵に影響を与えます。したがって、鉄分が不足している場合は、鉄分のサプリメントだけでなく銅のサプリメントも必要になります。銅は多くの酵素や活性タンパク質の形成にも関与し、DNAに結合して核酸構造の安定性を維持します。通常の人体における銅の総量は約100～150mgで、そのうち約50～70％は筋肉と骨に、20％は肝臓に、5～10％は血液中に存在し、少量は銅酵素中に存在します。成人は生理的ニーズを満たすために1日あたり2mgの銅を摂取する必要があります。そうでないと、銅欠乏症が一連の深刻な健康問題を引き起こす可能性があります。

銀の役割についてはご存知かもしれません。天然で安全、かつ抗菌効果の高い素材です。今日の医療システムでは、銀製品が広く使用されています。たとえば、0.5% 硝酸銀溶液は火傷や外傷の治療に使用され、1% 硝酸銀は点眼薬に使用され、10% 硝酸銀はさまざまな潰瘍の治療に使用されます。銀メッキ素材は、縫合糸、カテーテル、包帯、ウォーターカップなどの製造に使用できます。NASA は銀を最も安全な殺菌剤として認識しており、宇宙船の飲料水容器や浄水器の製造に銀を主な材料として使用しています。世界の航空会社の半数以上が銀ベースの純水システムを選択しています。

医学における金の応用にも何千年もの歴史があります。金は、その延性、安定性、生体適合性により、歯科分野で歯の修復に広く使用されています。金合金製のインプラントは、神経修復、ペースメーカーなど、現代医学の多くの分野で広く使用されています。さらに、金は病気の検出にも使用できます。 COVID-19パンデミックの際、私たちが使用した抗原検査は、検査対象となる新型コロナウイルスの特徴的なマーカーがあるかどうかを判定するために、発色成分として抗体で修飾したコロイド金です。

PART2化学はコイン金属に無限の可能性をもたらす

化学者の手により、「コインメタル」にはさらに優れた特性が与えられました。

分子科学としても知られる化学は、本質的には原子からなるブロックを組み立てるようなもので、原子を配置して組み合わせることで新しい分子を作り、新しい特性を獲得します。私たちの研究では、私の研究チームと私はコインメタル原子を使用して構成要素を構築し、多様な構造を持つ新しいコインメタルクラスターを作成しました。例えば、6 つの銀原子を正八面体の形で組み合わせ、小さな有機分子で固定することで、非常に明るい銀クラスター分子が得られました。この分子は最大 95% の量子収率を持ち、吸収した光のほぼすべてを別の波長の光に変換して放出することができます。非常に有望な発光材料です。これは照明ディスプレイ、発光センシング、生物イメージングの分野で優れた応用可能性を示しており、当研究室が作成した代表的な星団分子の一つでもあります。

例えば、4つの金原子を平行四辺形に組み合わせ、有機分子で固定することで、高輝度の金クラスター分子が得られます。金は高エネルギー線を効果的に吸収できる重元素であるため、この金クラスターは紫外線の下で光るだけでなく、X線の下では明るい緑色の光も発します。高エネルギーの放射線を発光に変換できるこの物質をシンチレータ物質と呼びます。クラスターシンチレータは、その優れた特性により、X 線検出器、医療用放射線撮影装置、さらには宇宙空間での高エネルギー粒子検出など、幅広い応用の可能性を示しています。

これまでの例はすべて、コイン金属の単純なクラスター分子に関するものでした。では、より複雑なクラスター構造を構築できるのでしょうか?答えはイエスです。

まず、12個の銀原子からなる銀クラスターを構築し、これらの銀クラスターを有機分子を橋渡しとして接続し、クラスターをレンガのように積み上げて建てられた高層ビルのような3次元構造のクラスター骨格材料を得ました。これは、国際的に報告された最初のクラスターベースのフレームワーク資料でもあります。

興味深いことに、これらのクラスターベースのフレームワーク材料には多くの穴があり、酸素や窒素などの空気中の分子を収容することができます。酸素が穴に入らないときは材料は光りますが、酸素分子が穴に入ると光は消えます。これらのフレームワーク材料の発光特性をテストすることで、環境中の酸素含有量を直感的に理解することができます。言い換えれば、このクラスターベースのフレームワーク材料は、環境中の酸素を 1 ppm 検出できる非常に優れた酸素センサーです。

ご覧のとおり、元素特性そのものであれ、特定の原子の組み合わせであれ、コインメタルは常に私たちにさまざまな驚きをもたらします。古代から現代に至るまで、一般的な日用品からさまざまなハイテク機器、発光材料から深宇宙探査まで、コインメタルは無限の応用可能性を示してきました。しかし、コイン金属については、生命の過程においてコイン金属が他にどのような重要な影響を及ぼすのかなど、まだ多くの未知の領域があります。単一のクラスターはどのくらいの大きさまで可能ですか?その限界はどこにあるのでしょうか?分かりません。コイン金属クラスターは触媒として他にどのような興味深い特性を示すのでしょうか?これらすべては、将来探求され、発見される予定です。