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王建方探索金屬納米顆粒無窮妙用

金屬納米顆粒用途廣泛,既能用以驗孕,也能裁定死因。王建方教授專研這些微小顆粒的特性及應用性,不斷發掘它們的潛能,稱得上是金屬納米顆粒的伯樂。

王教授目前把研究焦點放在名為「膠體等離激元金屬納米顆粒」的物質粒子上。透過操控微量經特殊處理的金子,他成功研製出檢測功能眾多的嶄新物料。

電子大都可以在金屬中自由運動,而電場則可以驅使它們移動。光線的照射能產生震盪電場,金屬電子也連帶受到振盪。這一系列的顫動形成了電漿子。

電漿子猶如一個微小的金屬彈簧,擁有自己專屬的頻率、振幅和阻尼。假若光線的頻率與金屬電子的自然頻率相同,電漿子便會共振。這種共振可以量度及偵測微小的分子。

當電漿子的共振發生在金屬納米顆粒身上時,共振會吸收並反射光線,而視乎顆粒的大小,不同長度的波長會在紫外線至紅外線的範圍中出現;假若波長出現在可見光的範圍,不同的顏色便會呈現在我們眼前。

這種現象大大擴展了納米顆粒的用武之地。它們可充當食品或藥品的標籤,以顏色的轉變確定運輸物品是否保存在合適的溫度和條件中。同理,金屬納米顆粒也可應用於懷孕試驗中的試紙──當尿液含有某種懷孕激素時,顆粒便會聚在一起,令試紙產生顏色變化。

納米顆粒因其變色特性而被廣泛應用

上述檢驗皆可用肉眼觀測,性質也較簡單。但複雜的檢測同樣難不倒金屬納米顆粒:它們不但能在基因測試中查察基因鏈及其組成部分,還可在光譜測試中測量每個分子獨有的「指紋」,從而協助探測炸藥和毒藥。光譜測試現時處於開發階段,有望能夠應用於食品檢驗,偵測微乎其微的農藥含量。

王教授解釋:「這個領域的發展極快,成敗關鍵在於我們能否憑有限的知識和技術開拓新知。」

納米顆粒的合成是納米科學家首要面對的難題,而王教授正是此門學問的佼佼者。他成立了專售納米顆粒合成品的公司,吸引世界眾多大學和研究所光顧。

「合成的過程好比依照食譜烹調。」王教授說:「你需要控制濃度、材料成分、溫度等。」

膠體納米顆粒已使用了數個世紀。正在大英博物館展出的「盧奇格斯」高腳杯利用了砂金和銀粉色散的原理,在光線直接照射時呈現綠色,而當光線由杯內照向杯外時,杯身則變成紅色。教堂的花窗玻璃同樣也使用了納米顆粒。

「盧奇格斯」高腳杯能隨着光照變化改變顏色<em>(照片來源:大英博物館)</em>

那時的藝術家當然不會理解作品背後的科學原理。創造「盧奇格斯」高腳杯的工匠甚至有可能歪打正着在玻璃中混入微量金子。畢竟,羅馬時期用來測量金和銀的工具無可避免沾染了這兩種金屬。

在十九世紀,科學家米高·法拉第開創納米合成學的先河,成功研製出獨有的納米黃金。然而,納米顆粒的發展停滯不前,直到二千年左右,這個領域才再次活躍起來,當時的科技儀器開始能觀測納米顆粒的大小和形狀。

王教授在物理學系任教,但他認為自己也是科班出身的化學家。王教授的科研生涯從研究半導體開始。然而,製造半導體的材料帶毒性,其存放及使用因而受嚴格監管。這個因素令王教授把研究焦點轉移至納米等離子體技術。

如今,王教授把自身的化學背景與應用物理相結合,轉向研究光學和光子學等範疇。他笑言:「納米等離子體技術是個高度跨學科的領域。我也不甚認識當中涉及的深層物理學,很是頭痛。」

王建方:「納米顆粒的研究成果豐碩,但要將之經營成一番事業卻不是易事。」

最近,王教授獲裘槎基金會頒發2020年度優秀科研者獎,以表彰其傑出科研成就。研究也衍生出兩家初創公司,坐落於中大附近的香港科學園。

Advanced Plasmon Technologies公司於去年成立,為公司和實驗室提供含有金屬納米顆粒的受質,協助科學家更精準的檢測各種分子。

NanoSeedz公司則於2012年成立,為全球三十多個國家的公司生產及供應納米顆粒。公司的名稱源於其生產方法──研究團隊首先製造出直徑僅為一至三納米的納米種子,其後把它們「培育」成尺寸將近一百納米的納米晶體。

「迄今的研究成果確實豐碩,但要將之經營成一番事業卻不是易事。」對王教授來說,初創企業的世界遠比實驗室裏的工作更變幻莫測:「無法控制的事情實在太多了。」

圖/Eric Sin
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本文出自中大網頁(2020年4月)

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金屬納米 納米技術 王建方 物理系 教授