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听着高大上的“金”,其表面十有八九不是真金!

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编者按:

近期,黄金价格连续刷新纪录新高,据悉,多家品牌的金饰品价格已突破700元。一直以来,黄金在金融、珠宝首饰以及奢侈品等财富相关领域备都受青睐,但你知道吗?黄金在工业、科技领域也扮演着举足轻重的角色。

提到“黄金”,你首先会想到什么?

是“财富”?是“权力”?还是“珠宝展示柜上的大金链子”?

小编想到的,是课本上一句令人深思的名句——

金银天然不是货币,货币天然是金银。

Gold and silver are not by nature money, but money consists by its nature of gold and silver.

——卡尔 马克思(Karl Marx)

马克思这句教科书级别的论述,将赤裸裸的现实摆在了我们面前:无论有些人怎么表示对“阿堵物”(即“钱”)的厌恶或者轻视,都无法否定,金光闪闪的黄金,已经深刻地嵌入了人类的思想和文化中。

现代社会里,黄金虽然退出了流通货币界,但“金的使用”依然是体现事物重要性的最佳表现形式。比如体育竞技的金牌对应第一名、各类赛事的金奖代表最高荣誉,以及中国邮政在香港回归和澳门回归时发行的带有金波压印图案的邮票。

这些几乎独一无二的存在,都用金或者“金”的概念来背书它们的地位。

随着社会的流变,黄金的金色,已经等同于财富和地位的颜色。

然而真金太贵,虽然我们日常看到的金色物件比较多,但其实是一众“西贝货”在满足人们的心理需求。“钛金”、“玫瑰金”、“香槟金”……这些名字里带金的仿真金色泽镀层,便是我们日常见到的金色物件的主流。

但要记住,这些听起来非常高端大气上档次的名称,其实表面十有八九都不是真金,而是便宜得多的其他镀层。至于为什么是十有八九而不是全部,那是因为某些极小众的定制款,有可能会应客户的定制要求用真金打造真正的土豪金。

很多人不知道的是,黄金不仅在金融、珠宝首饰以及奢侈品等财富相关领域备受青睐,在工业、科技领域也扮演着举足轻重的角色。据中国黄金协会统计,仅2019年,中国的工业/科技用金就达到了100.75吨,约占全国黄金消费的10%。

Part.1

为什么工业生产和科学研究中也喜欢用金?

在工业和科技中用金,是由于它的物理性质和化学性质。金具有非常好的延展性、化学稳定性和导电性,密度高且易熔炼、易加工。

所以,1克黄金可以被碾成约1平方米的金箔而不破损,加上金具有19.32g/cm3的高密度,只有几百个原子厚的金箔已经不能用薄如蝉翼来形容了——蝉翼比它厚多了。空气的轻微流动就能让这种极致薄的金箔产生一道道类似涟漪的波纹。

从外观上看,这样的金箔已经是半透明状态。对着光看,蓝绿色的光能够穿透金箔而使金箔呈现蓝绿色,而逆着光看,反射的红黄色光使得金箔呈现金红色。

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沉积生长出来的28nm厚的金膜,注意透明的绿色和金红色的反光

图片来源:Science, 2017, 355, 1203-1206, DOI:10.1126/science.aam5830

但要注意的是,薄到这个程度的金箔是绝对不能直接用手拿的,因为手上的汗、油脂会迅速让金箔粘在手上而导致金箔破碎,并且很难除下来。所以如果你不打算给手指头包金的话,就不要伸手去抓了。

那么,我们应该如何拿起这薄薄的金箔而不破坏掉它呢?

合适的金箔拿取工具是羽毛,用羽毛的静电吸附起金箔,就可以把它铺到合适的表面上了。这样薄的金箔通常是黄金包覆工艺的原材料,手工碾制金箔及用金箔包金甚至可以算是一种非物质文化遗产级别的工艺。

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用羽毛挑金箔

图片来源:新华网

然而,金箔有时也被用来做违法的勾当。不法分子会将金箔碾碎作为非法添加剂,掺杂在某些土豪属性的食品里或者酒水饮料中。由于金箔实在太轻,很难在液体里沉降,所以掺杂了碎金箔的酒水饮料、化妆品等在光照下的视觉效果相当不错。

但如果真得吃下这类掺了金箔的食物,会如何呢……

我们的胃液没达到王水那种可以侵蚀黄金的水平,甚至没有什么已知范围内的生物的肠胃具有消化黄金的能力。不过,也不用太担心食用后达到“吞金自杀”的效果,这种可在液体里悬浮的金箔不会因为重力压迫造成消化道破损。

此外,由于金足够稳定,一般金箔入腹后,也不会因为金属离子释放刺激消化道而产生病变。总而言之,目前的认识就是吃下去以后,除了很烧钱外,既没有什么好处也没有什么坏处。但大家千万不要轻易尝试哦!

讲完了金的高密度,接下来让我们见识一下金的稳定性。

金具有极好的稳定性,难以被氧化破坏或者腐蚀损坏。出土文物里的金器,可能是唯一“埋进去啥样,发掘出来还是啥样”的器物类别,包括玉器在内的石器都很难达到这种金身不坏的效果。“金身不坏”、“真金不怕火炼”这类词语也反应了古人对金的化学稳定性的认识。

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考古工作人员在刘贺主墓中发现的金器

图片来源:江西省文物考古研究院

这种稳定性给金箔带来了装饰以外的实用效果:物品表面的一层金箔,即使碾得再薄,也不会被氧气侵蚀而崩解,尽可能地减少了氧气和水分的渗入,内里的器物被氧化、生锈、溶蚀、腐烂的过程就会被大大延迟(当然天长日久金膜也会破,接缝处也会渗入环境里的水和氧)。尽管实用金箔的代价昂贵,但在旧时条件下,没有比这更好的表面处理方式了。不差钱的皇宫佛寺在有条件的情况下会大量使用包金、鎏金乃至镀金等方式,用金保护重要的建筑构件或者塑像、金銮殿和造像金身,不仅是为了金光闪闪显得富贵,也是为了防腐防锈。

Part.2

在工业和科技领域,金子都用在哪儿了呢?

前文提到,2019年,中国的工业/科技用金是100.75吨。数字看起来比较大,但同年中国人在首饰上的用金量是它的6.7倍。很显然,毕竟黄金属于贵金属,工业上自然还得节约着用。

那这100.75吨的金子都被用在哪儿了呢?

有人说,我知道!工业和科技嘛!记得嫦娥四号着陆月背的新闻里,那个着陆器,金光闪闪的!估计是蒙了层金箔。咱们国家这些年科技进步了,没少发射卫星,这个用量少不了。

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玉兔二号巡视器全景相机对嫦娥四号着陆器成像

图片来源:中国探月CLEP

很遗憾,答错了。虽然看起来金光闪闪,但卫星、飞船外罩的那层金色的“布”,多半不是镀了金的缘故,而是用于控温的聚酰亚胺(PI)的显色。不过有的时候确实也会根据实际需要在聚酰亚胺上镀一层金属,包括镀金,来实现特定的保护需求。

划重点!以下的这些,用的才是真金。

首先,由于金有防锈防腐蚀的作用,现代的电子工业上每年都会消耗大量黄金用于电路板的金手指和开关、接头与插接件的保护,这是工业黄金消耗的最主要的方式。

这些零件往往需要良好的导电性,但又没办法通过加保护漆进行封闭防锈防腐保护,只能通过镀一层金来实现保护。不过,由于金镀层可以很薄,每年不计其数的电子工业品上的镀金消耗还是只有首饰用金的一个零头。

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这些首饰,拿来镀金手指足够小厂忙乎很久了

图片来源:Veer图库

金手指的名字,就是因为“形状像一排手指头的导电金属片上面镀了金,用于传输数据和供电”而得名。当然,为了节省成本,有的低端电路上的镀金层也有可能被节省掉或换成黄铜,那抗腐蚀能力自然会大幅下降,但是成本也会下降一些。只要不是在海上石油平台那种高盐雾环境下,这类图便宜不做镀金的电子设备也许能有机会撑到客户动换机心思的时候。

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金手指:插接电路板或者扩展卡的供电与信号接口

图片来源:Veer图库

其次,有人会注意到,有的战斗机座舱盖会反射出罕见的金色来,这回猜对了,还真是镀了金的结果。当然,也只有“土豪“版战斗机才会给座舱盖镀金——对隐身性能有要求的主力战斗机,没有一个价格便宜的,不差这点钱,该镀金就镀金吧!

拿F-22A举个例子,整体气泡座舱盖就确实镀了金,下图中的反光很好的说明了镀金层的存在。由于有座舱盖的支撑,金镀层可以薄到几乎是透明的,对飞行员的视野影响有限。

但就这薄薄的一层金,形成的导电层能够有效阻碍雷达波透过座舱盖,使座舱盖表面和飞机蒙皮形成一个反射整体,从而有效控制雷达波的反射角度。为的就是避免一种情况:雷达波照进座舱形成强散射源,导致战斗机整体的低RSC设计被破坏,进而导致雷达隐形效果打折扣。

而对隐身追求不那么高的“低配”战机或者非隐身战机,对RSC差这事情就纷纷表示无所谓了,所以就很少看到它们的座舱盖反射出金色。

同样的道理,在一些体积有限却需要对电磁兼容性有较高要求的系统里,镀一层金材质的屏蔽层也是一种减少电磁干扰的手段。

再次,同样利用金镀层导电的原理的,还有扫描电镜(SEM)显微成像。在做不导电的非金属样品时,需要在样品表面喷镀薄薄一层金膜起导电作用才能让扫描电镜有效地成出像来。

举个例子,要想用扫描电镜观察一只蚊子的显微细节,那就得先给这只蚊子喷镀上一层金身。一只死蚊子身上镀上一层纯(价)度(格)远高于首饰级的千足金、万足金的高纯金,那真是极度哀荣了。

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扫描显微镜下的蚊子头部,虽然这张遗照是黑白灰度的,但是这只蚊子已经金身大成

在航天方面,金同样是非常重要的保护材料,用于防护太空中某些类型的辐射。除了前面提到的聚酰亚胺包层上可能会镀金外,舱外航天服则是必须要使用镀金的部件。

上图中,俄罗斯“海鹰”航天服面具上部那个金光发亮的半球状物实际上是一个半打开的镀金面罩,这是航天服面罩最外层的可开合防强光保护罩,上面镀了一层真金。这层半透明的金镀在透明的支撑材料上,航天员可以手动开合,用于在舱外活动时防御强烈阳光特别是阳光中的紫外线和红外线的伤害。

另外,金在实验室里也有很多发挥作用的方式。比如“金电极”是电化学、电分析常用的工具,有机化合物端部硫原子和金容易结合使得金电极特别适合用来表面修饰上含硫的化合物(巯基化合物)然后进行相关的研究或者检测。

至于让无数研究僧们又爱又恨的“纳米金”,那真是横跨化学、材料、纳米、生物、医药的一个超赞工具!

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不同形状,不同大小的纳米金材料有不同的吸光特性,显示不同的颜色

纳米金可以有各种几何形状,表面易修饰,还具有易与蛋白、核酸结合的特性,以及荧光、表面增强拉曼散射SERS、暗场成像、电分析等检测手段和无数种丰富的使用方法,这些特性都让纳米金成为了非常好的制作生化检测试(fa)剂(wen)盒(zhang)的基础材料。

什么,你说见过纳米金的保健品或化妆品?千万别信奸商的忽悠……

除此之外,金还是化学实验室和工业生产中常见的催化剂组分之一。在元素周期表中,金的左邻右舍都是很重要的催化剂元素,所以金也会出现在某些催化剂的组成里,在石化等工业生产和相应的理论研究里使用和消耗。

极高表面积比的纳米金也是很有希望的新型催化剂。但是和铂族贵金属催化剂一样,如果催化剂的回收和再利用问题没有得到解决,贵金属材料用量节省不下来,生产成本也就降低不下来,这可是一件非常令人苦恼的事情。

最后要强调的是,虽然使用“金”的成本不低,但工业生产和科学技术研究使用“金”的目的绝不是“炫富”,而是不得不用的贵金属原材料。再偷偷补充一句,实际在工业生产里,黄金的材料成本多半只占总成本的零头……

出品:科普中国

作者:老徐诺维奇

监制:中国科普博览

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评论
追梦人C·hui
太师级
“金银天然不是货币,货币天然是金银”!工业生产和科学技术研究使用“金”的目的绝不是“炫富”,而是不得不用的贵金属原材料。
2024-04-12
演绎无限精彩!
大学士级
黄金不仅是一种贵重的金属,也是一种战略资源。它在金融、工业、科技等领域具有广泛的应用和重要的地位,发挥着不可替代的作用。
2024-04-12
科普中国●yling
贡士级
黄金不仅是一种贵重的金属,也是一种重要的战略资源,在金融、工业、科技和文化领域具有广泛的应用和重要地位,发挥着不可替代的作用,我们应该充分认识和利用它的价值和重要性。
2024-04-12