Neben der Herstellung von Währungen hat „Münzmetall“ tatsächlich diese wunderbaren Verwendungsmöglichkeiten

Am 17. Oktober 2024 hielt Zang Shuangquan, Vizepräsident für akademische Angelegenheiten und Dekan der Fakultät für Chemie der Universität Zhengzhou, eine Rede mit dem Titel „Magische Münzmetalle“ bei der Themensitzung „Unendliche Möglichkeiten bezaubernder Chemie“ des Science Popularization China Starry Sky Forum.

Das Folgende ist ein Auszug aus Zang Shuangquans Rede:

Unter „Münzmetall“ versteht man im Allgemeinen das Metall, aus dem Münzen hergestellt werden. Zu den gängigen „Münzmetallen“ zählen Kupfer, Gold, Silber usw.

TEIL 1 Chemische Eigenschaften und Anwendungen von „Münzmetallen“

Münzmetalle spielen in der modernen Industrie eine unverzichtbare Rolle. Erstens haben sie im Allgemeinen eine gute elektrische Leitfähigkeit. Kupferdrähte und Leiterplatten sind im Leben allgegenwärtig, aber auch Silber und Gold werden häufig zur Herstellung von Spezialdrähten verwendet. Diese Metalle sind überall in unseren Mobiltelefonen, Computern und anderen Geräten vorhanden. Obwohl der Goldpreis viel höher ist als der von Silber und Kupfer, werden dünne Goldschichten aufgrund ihrer hervorragenden chemischen Stabilität häufig im Bereich der Mikroelektronik eingesetzt, um hochpräzise elektronische Schaltkreise und Endschaltungen herzustellen und so den stabilen Betrieb elektronischer Geräte zu gewährleisten. Darüber hinaus finden Münzmetalle auch in der Luft- und Raumfahrt breite Anwendung. Aufgrund ihrer hohen Temperaturbeständigkeit und Korrosionsbeständigkeit werden sie häufig zur Herstellung von Komponenten für Flugzeuge oder Raumfahrzeuge verwendet. Goldfilme können auch zur Herstellung von Solarmodulen für Raumfahrzeuge verwendet werden, wodurch deren Energieumwandlungseffizienz und Haltbarkeit verbessert werden.

Neben den oben genannten gemeinsamen Eigenschaften verfügen Münzmetalle auch über eigene Besonderheiten. Kupfer beispielsweise weist eine sehr gute Wärmeleitfähigkeit auf, sodass es als Kühlkörpermaterial verwendet werden kann und bei der Herstellung von Klimaanlagen, Autos, elektronischen Produkten usw. zum Einsatz kommt. Aufgrund seiner hervorragenden Korrosionsbeständigkeit ist Kupfer auch zu einem der Standardmaterialien im Schiffsbau geworden. Im täglichen Gebrauch sind Kupferrohre zudem im Vergleich zu herkömmlichen Wasserleitungsarmaturen am langlebigsten. Silber hingegen weist eine hohe Lichtreflexion auf und kann zur Herstellung wichtiger Komponenten wie optischer Präzisionsbeschichtungen und Spiegel verwendet werden. Es ist unverzichtbar bei der Herstellung von Mikroskopen und astronomischen Teleskopen. Hochreines Silberpulver ist der Hauptrohstoff zur Herstellung von Silberpaste, die bei der Herstellung von Photovoltaikzellen verwendet wird. Jede Photovoltaikzelle enthält etwa 20 Gramm Silber. Goldfolie hat die Fähigkeit, Infrarotlicht stark zu reflektieren und zu streuen und kann bei der Herstellung von Infrarotdetektoren und Raketenabwehrgeräten verwendet werden.

Auch im Bereich der Life Sciences sind Metalle unverzichtbar. Beispielsweise ist Kupfer ein essentielles Spurenelement für den menschlichen Körper. Es ist am Hämoglobin- und Eisenstoffwechsel beteiligt und beeinflusst die Aufnahme und Speicherung von Eisen. Deshalb benötigen wir bei Eisenmangel nicht nur Eisenpräparate, sondern auch Kupferpräparate. Kupfer ist außerdem an der Bildung vieler Enzyme und aktiver Proteine ​​beteiligt, bindet an die DNA und erhält die Stabilität der Nukleinsäurestruktur. Die Gesamtmenge an Kupfer im Körper eines normalen Menschen beträgt etwa 100–150 mg, davon befinden sich etwa 50–70 % in Muskeln und Knochen, 20 % in der Leber, 5–10 % im Blut und eine kleine Menge in Kupferenzymen. Erwachsene müssen täglich 2 mg Kupfer zu sich nehmen, um ihren physiologischen Bedarf zu decken. Andernfalls kann ein Kupfermangel zu einer Reihe schwerwiegender gesundheitlicher Probleme führen.

Möglicherweise kennen Sie die Rolle von Silber. Es ist ein natürliches, sicheres und hochwirksames antibakterielles Material. Im heutigen medizinischen System werden Silberprodukte häufig verwendet. Beispielsweise wird eine 0,5%ige Silbernitratlösung zur Behandlung von Verbrennungen und Traumata verwendet, 1%iges Silbernitrat wird in Augentropfen verwendet und 10%iges Silbernitrat wird zur Behandlung verschiedener Geschwüre verwendet. Aus versilberten Materialien können Nähte, Katheter, Verbände, Wasserbecher usw. hergestellt werden. Die NASA hat Silber als sicherstes Sterilisationsmittel anerkannt und verwendet Silber als Hauptmaterial zur Herstellung von Trinkwasserbehältern und -reinigern für Raumfahrzeuge. Mehr als die Hälfte aller Fluggesellschaften weltweit entscheiden sich für Reinwassersysteme auf Silberbasis.

Auch die Anwendung von Gold in der Medizin hat eine jahrtausendealte Geschichte. Aufgrund seiner Duktilität, Stabilität und Biokompatibilität wird Gold in der Zahnmedizin häufig zur Zahnrestauration eingesetzt. Implantate aus Goldlegierungen werden in der modernen Medizin in vielen Bereichen eingesetzt, unter anderem zur Nervenreparatur, bei Herzschrittmachern usw. Darüber hinaus kann Gold auch zur Krankheitserkennung verwendet werden. Während der COVID-19-Pandemie verwendeten wir einen Antigentest mit kolloidalem Gold, das mit Antikörpern als farbbildender Komponente modifiziert wurde, um festzustellen, ob charakteristische Marker des neuen Coronavirus vorhanden sind, auf das getestet werden soll.

TEIL 2: Die Chemie bietet unbegrenzte Möglichkeiten für Münzmetalle

Durch die Hände der Chemiker wurden dem „Münzmetall“ noch hervorragendere Eigenschaften verliehen.

Bei der Chemie, auch als Molekularwissenschaft bekannt, handelt es sich im Wesentlichen um Bausteine ​​mit Atomen, die so angeordnet und kombiniert werden, dass neue Moleküle entstehen und neue Eigenschaften erhalten werden. In unserer Studie verwendeten mein Forschungsteam und ich Münzmetallatome, um Bausteine ​​für die Schaffung neuer Münzmetallcluster mit unterschiedlichen Strukturen zu bauen. So haben wir beispielsweise sechs Silberatome zu einem regelmäßigen Oktaeder zusammengefasst und mit kleinen organischen Molekülen fixiert, um extrem leuchtende Silberclustermoleküle zu erhalten. Dieses Molekül verfügt über eine Quantenausbeute von bis zu 95 % und kann nahezu das gesamte absorbierte Licht in Licht einer anderen Wellenlänge umwandeln und emittieren. Es ist ein sehr vielversprechendes Leuchtmaterial. Es weist hervorragende Anwendungsaussichten in den Bereichen Lichtanzeige, Lumineszenzsensorik und biologische Bildgebung auf und ist zudem eines der repräsentativen Sternhaufenmoleküle, die von unserem Labor hergestellt wurden.

Beispielsweise kombinieren wir vier Goldatome in einer Parallelogrammform und fixieren sie mit organischen Molekülen, um ein Goldclustermolekül mit hoher Helligkeit zu erhalten. Da Gold ein schweres Element ist, das hochenergetische Strahlen effektiv absorbieren kann, leuchtet dieser Goldcluster nicht nur unter ultraviolettem Licht, sondern strahlt unter Röntgenstrahlen auch hellgrünes Licht aus. Dieses Material, das hochenergetische Strahlen in Lumineszenz umwandeln kann, wird Szintillatormaterial genannt. Aufgrund ihrer hervorragenden Eigenschaften haben Cluster-Szintillatoren breite Anwendungsaussichten in Röntgendetektoren, medizinischen Röntgengeräten und sogar bei der Erkennung hochenergetischer Partikel im Weltraum gezeigt.

In den vorherigen Beispielen ging es jeweils um einfache Clustermoleküle aus Münzmetallen. Können wir also komplexere Clusterstrukturen aufbauen? Die Antwort ist ja.

Wir konstruierten zunächst einen Silbercluster aus zwölf Silberatomen und verbanden diese Silbercluster mithilfe organischer Moleküle als Brücken miteinander, um ein Cluster-Gerüstmaterial mit dreidimensionaler Struktur zu erhalten, genau wie ein Hochhaus, das aus Clustern als Ziegeln gebaut ist. Dies ist auch das erste clusterbasierte Rahmenmaterial, über das international berichtet wurde.

Interessanterweise gibt es in diesen clusterbasierten Gerüstmaterialien viele Löcher, die Moleküle aus der Luft wie Sauerstoff und Stickstoff aufnehmen können. Wenn kein Sauerstoff in die Löcher eindringt, leuchtet das Material, sobald jedoch Sauerstoffmoleküle in die Löcher eindringen, verschwindet das Leuchten. Durch das Testen der Lumineszenzeigenschaften dieser Gerüstmaterialien können wir den Sauerstoffgehalt in der Umgebung intuitiv verstehen. Mit anderen Worten ist dieses clusterbasierte Gerüstmaterial ein sehr guter Sauerstoffsensor, der ein Teil pro Million Sauerstoff in der Umgebung erkennen kann.

Wie Sie sehen, halten Münzmetalle immer wieder Überraschungen bereit, sei es aufgrund ihrer elementaren Eigenschaften oder ihrer spezifischen Atomkombination. Von der Antike bis zur Gegenwart, von alltäglichen Bedarfsgegenständen bis zu verschiedenen Hightech-Geräten, von Leuchtstoffen bis zur Erforschung des Weltraums haben Münzmetalle unbegrenzte Anwendungsmöglichkeiten bewiesen. Es gibt jedoch noch viele unbekannte Bereiche im Zusammenhang mit Münzmetallen, beispielsweise welche anderen unbekannten wichtigen Auswirkungen Münzmetalle auf den Lebensprozess haben? Wie groß kann ein einzelner Cluster sein? Wo liegen seine Grenzen? Wir wissen es nicht. Welche weiteren spannenden Eigenschaften können Münzmetallcluster als Katalysatoren aufweisen? Dies alles muss in Zukunft noch erforscht und entdeckt werden!