對話中科院廣州地化所鮮海洋：攻克人工鉆石后，人類能拿下“煉金術(shù)”嗎？

搜狐科技《思想大爆炸——對話科學(xué)家》欄目第148期，對話中國科學(xué)院廣州地球化學(xué)研究所研究員鮮海洋。

嘉賓簡介：

鮮海洋，中國科學(xué)院廣州地球化學(xué)研究所研究員。現(xiàn)任中國礦物巖石地球化學(xué)學(xué)會礦物物理礦物結(jié)構(gòu)專業(yè)委員會秘書、隕石及天體化學(xué)專業(yè)委員會委員、新礦物及礦物命名專業(yè)委員會委員，《地球化學(xué)》和《礦物巖石地球化學(xué)通報》期刊青年編委。主要以電子顯微術(shù)等先進(jìn)實驗手段與密度泛函理論等模擬計算方法相結(jié)合，研究礦物結(jié)構(gòu)與礦物表/界面的微觀反應(yīng)機(jī)制、礦物表/界面反應(yīng)的成礦作用和行星演化環(huán)境效應(yīng)。

• 當(dāng)黃鐵礦與水接觸時，會存在一種特殊的“致密液體層”，如同一座“納米工廠”，能將周圍溶液中的金離子高效富集至過飽和狀態(tài)，從而使金直接沉淀下來。

• 研究證明了這一機(jī)制可以同時適用于熱液型金礦和表生（近地表）金的富集過程，挑戰(zhàn)了“金主要源自深部熱液流體”的傳統(tǒng)觀點。

• 未來或可通過人工干預(yù)的方式使得成礦過程加速，實現(xiàn)人工誘導(dǎo)成礦。

出品｜搜狐科技

作者｜周錦童

編輯｜楊 錦

近年來，黃金價格節(jié)節(jié)攀升，不少網(wǎng)友好奇：既然人類能造出鉆石，那么，未來有沒有可能人工煉出黃金來？

這就不得不提到黃金的形成過程。黃金的主要載體礦物是黃鐵礦，金離子在黃鐵礦表面的吸附還原可以形成納米金，進(jìn)而驅(qū)動金的高效沉淀。

近日，為了闡明納米金在黃鐵礦–水界面沉淀的微觀動力學(xué)和反應(yīng)機(jī)制，中國科學(xué)院廣州地球化學(xué)研究所研究員朱建喜、鮮海洋牽頭的科研團(tuán)隊利用原位液相透射電子顯微鏡技術(shù)，首次從納米尺度原位“直播”了液相環(huán)境中的黃金納米顆粒在黃鐵礦表面形成的動態(tài)過程，提出黃鐵礦誘導(dǎo)金沉淀的新機(jī)制。相關(guān)成果發(fā)表于《美國國家科學(xué)院院刊》。

對此，搜狐科技對話了鮮海洋研究員，聽他講述具體的微觀機(jī)制、研究意義以及未來的研究計劃。

黃金從哪兒來？它到底是怎么形成的？

黃鐵礦誘導(dǎo)金沉淀是形成高品位金礦的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，但其界面動態(tài)機(jī)制還不明確。且以往的研究多依賴反應(yīng)后的離線分析，既無法捕捉到金沉淀的瞬時過程，也難以深入闡明其形成機(jī)制。

鮮海洋團(tuán)隊這次在真實的時間尺度內(nèi)，實時、完整地觀察到了金在黃鐵礦表面沉淀的整個過程，“就跟直播一樣，沒有剪輯，一鏡到底?！?/p>

此外，地殼中真實的金含量是ppb級別（意味著平均每噸巖石中僅含有約幾毫克黃金），但以往的實驗為了看到結(jié)果，使用的金濃度非常高，是ppm級別的，比地殼真實含量高出三個數(shù)量級。這次實驗成功將金濃度降低到了與地殼實際濃度相當(dāng)?shù)膒pb級別，并仍然觀察到了金的沉淀過程。

回到實驗本身，當(dāng)黃鐵礦與水接觸時，會存在一種特殊的“致密液體層”，如同一座“納米工廠”，能將周圍溶液中的金離子高效富集至過飽和狀態(tài)，從而使金直接沉淀下來。

“其實在此之前我們失敗了很多次，有時候等兩三個小時也沒反應(yīng)，我們就從頭再來，這次到13分鐘的時候黃鐵礦周圍形成了‘致密液體層’，20分鐘的時候?qū)觾?nèi)開始出現(xiàn)黃金納米顆粒?！?/p>

“雖然從13-20只有七分鐘，但我們所有人的眼睛都一直盯著屏幕，一刻不敢走神，出來第一顆黃金納米顆粒時很激動，但馬上就有一個疑問：‘它究竟怎么出來的’？我們不敢停下來，只能慢慢分析實驗過程?！滨r海洋回憶道。

由于金是從地球以外來的、密度大而沉入地核，地表金極少，因此傳統(tǒng)觀念認(rèn)為金礦必須來自地球深部的流體或巖漿。

可以說，這項研究挑戰(zhàn)了“金主要源自深部熱液流體”的傳統(tǒng)觀點。而且研究也證明了這一機(jī)制可以同時適用于熱液型金礦和表生（近地表）金的富集過程。

鮮海洋表示，“只要流體里有這種金的離子態(tài)形式存在，那么它遇上黃鐵礦，就會發(fā)生這種反應(yīng)?！?/p>

值得一提的是，原位液相透射電鏡技術(shù)讓這次“直播”成為可能，鮮海洋稱這也是得益于合作者廈門大學(xué)廖洪鋼老師團(tuán)隊。

“具體來說是把樣品封裝到一個芯片里面，類似手機(jī)芯片，液體在里面會定向流動，我們要不斷向里面補(bǔ)充反應(yīng)液體，才能使觀察順利進(jìn)行?！?/p>

人類有望掌握“煉金術(shù)”嗎？

談到這，有網(wǎng)友好奇，這是不是代表我們掌握了“煉金術(shù)”？

鮮海洋笑道：“我們只是揭示了一個自然現(xiàn)象而已，發(fā)現(xiàn)了自然界人類所開采的金子是如何聚集起來的，我們不生產(chǎn)也造不出這樣的金元素，它是在溶液中本來就有的，我們不過是把它的分散狀態(tài)聚集到了一起?！?/p>

相比之下，鉆石的原料碳元素在自然界有多種形態(tài)，比如石墨，可以通過改變溫度和壓力實現(xiàn)轉(zhuǎn)化。但黃金本身就以最穩(wěn)定的單質(zhì)形式存在，沒有其他富含金元素的物質(zhì)形態(tài)可以供轉(zhuǎn)化了，所以無法像合成鉆石那樣人工合成黃金，只能從金礦中提取。

“人類自有文明以來，黃金不管是做裝飾還是金融屬性，之所以能經(jīng)久不衰，就是它本身的穩(wěn)定性?！滨r海洋解釋道。

鮮海洋稱，這是一項基礎(chǔ)研究，直接拿這個成果去應(yīng)用可能還有很長的路要走。

在他看來，礦物學(xué)是一個基礎(chǔ)學(xué)科，我們通過解讀礦物的晶體結(jié)構(gòu)、化學(xué)組分、同位素組成等信息來解讀它形成時所處的環(huán)境如何，這是反演，即看到它形成之后的狀態(tài)去反推它行程的過程。

當(dāng)然還有一種是正演，這個實驗就是如此。基于一些已有的認(rèn)識，假設(shè)一開始是這樣的狀態(tài)，以假設(shè)為起點，看看能不能演化到現(xiàn)在所看到的現(xiàn)象。

目前，鮮海洋團(tuán)隊的研究涵蓋了礦物多個方向，包括傳統(tǒng)的礦物表界面反應(yīng)研究、環(huán)境礦物學(xué)，還有成因礦物學(xué)和近年發(fā)展起來的行星礦物學(xué)，他本人也參與月球樣品的研究等。

談及未來計劃，鮮海洋稱會繼續(xù)探究這一機(jī)制在自然界是否是一個普遍的現(xiàn)象，其他硫化物和金屬元素是否具有這種氧化還原反應(yīng)過程等。

“如果是的話，可以把以往可能需要上百萬年尺度才能反應(yīng)完形成的礦產(chǎn)，通過人工誘導(dǎo)的方式，在人類壽命的時間范圍內(nèi)，30、50年甚至一兩百年，讓兩三代人看到結(jié)果，通過人工干預(yù)的方式使得成礦過程加速，實現(xiàn)人工誘導(dǎo)成礦。”鮮海洋激動地說。

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