材料百态
最近，网剧《大梦归离》完结了。剧中有块石头十分出彩，据说它是“冰夷族世代相传的神物”，也是“女娲补天的最后一块石头”。
它可以“修复云光剑，也是封印镇压的容器”。它颜色绚丽，即便碎成一地，其内部的独特的结构也让人感觉与众不同。
这便是被称为“五色石”的神秘石头。这种五彩斑斓又形状独特的石头到底是什么？又有什么神奇之处？
历史渊源
从“五色石”破碎残片的结构推断，这可能是一种叫做自然铋的金属物质。在元素周期表里金属元素铋的元素符号是 Bi，原子序数为 83，英文名为 Bismuth。这个名字来自希腊语“Bismuthos”，意思是**“不同的金属”**。
相对于其它金属，铋的确显得与众不同。它长得奇奇怪怪，光怪陆离的色彩搭配螺旋状的阶梯构造，有一种外星文明的味道，充满了科技感。
其实，早在古希腊和古罗马时期，古人就能从辉铋矿中提炼铋金属。当时的矿工误把铋矿当成银矿，将其命名为 tectumarenti，意为“制造中的银”，并荒诞地认为铋矿是铅向银转变的中间物质，并常常用其制作盒子和箱子的底座。
在 15 世纪的德国修士 Basil Valentine 的著作中，这种元素被称为 Wismut，意为“白色物质”。之后，矿物学家 Georgius Agricola 认识到了铋的独特性质，将其拉丁化为 bisemutum，并描述了如何从矿石中提取它。
到了 18 世纪中叶，铋被确认为一种特定的金属。1739 年德国化学家 Johann Heinrich Pott 以及 1753 年法国人 Claude-François Geoffroy 分别发表了关于铋化学性质的研究著作。
来源：参考文献[6]
颜色和结构的奥秘
在自然界中，新鲜的自然铋呈银白色，但是被曝露在空气中以后，则逐渐被氧化。由于氧化膜（Bi2O3）的厚度不均匀，在光线照射下产生干涉便呈现出五颜六色的效果，通常呈现为浅红色的晕彩（Irisdescent）——锖（qiāng）色。
自然铋氧化后 | 来源：参考文献[7]
在自然界中，铋通常发现于热液矿脉中，与石英以及由钴、银、铁和铅等金属形成的矿物共生，或者发现于花岗岩侵入体与石灰岩接触带。常见的化合物有辉铋矿（Bi₂S₃）和铋华（Bi₂O₃）。
来源：参考文献[8]
铋元素一般很难以游离态单独存在，铋晶体也相当罕见。铋晶体最为人所熟悉的是错综复杂的漏斗状结构，这种结构呈现出阶梯状的空心金字塔形态，仔细品又发现非常契合中国传统纹样。
回字纹珐琅器 | 来源：参考文献[9]
这种形态是通过实验室人工培育的，即将铋熔化后让其缓慢冷却。在此过程中，晶体的边缘和角落生长速度比晶面快，从而形成了特有的空心几何形状-螺旋形阶梯状，而且这种铋晶体属于最常见的人造晶体。
比盐还安全的百变金属
铋元素的原子系数为 83，在周期表里和铅（原子系数 82）是邻居，虽然也属于重金属，却常常低毒或无毒，其毒性甚至低于食用盐 NaCl，因而铋成为公认的绿色金属元素。很早人们已经使用铋来治疗胃溃疡等胃病，我们所熟悉的药品比如铝酸铋、果胶铋、次枸橼酸铋等。
一般金属都有放射性，那金属铋如何呢？铋金属最常见的同位素铋-209，被认为是最稳定的素核，半衰期长达 1.9×1019 年，超过了 190 亿亿年，比推算的宇宙年龄（138 亿年）还长得多，这意味着太阳辐射比铋金属强多了，说明铋金属是非常安全的。
铋元素的原子质量和电子构型图 来源：参考文献[10]
除了药用，我们生活中的众多领域也都有铋元素的参与：
1
颜料与妆发
除了在医疗领域有广泛应用以外，由于铋金属拥有近于魔幻的色彩，常常用来制作首饰、工艺品、化妆品或者颜料。如眼影、法胶、指甲油等化妆品的珠光效果就是氯氧化铋（BiOCl）呈现的效果。
含有氯氧化铋（BiOCl）的化妆品 来源：参考文献[11]
2017 年度流行色“樱草黄”颜料的主要成分是钒酸铋（BiVO4）。此外，铋又具有密度高、毒性低的特性，可作为铅的良好替代品。例如用绿色的铋代替有毒的铅来制作猎枪子弹。
“樱草黄”颜料-钒酸铋（BiVO4）来源：参考文献[12]
2
移动式小型核电源
以液态铅铋合金作为冷却剂的快中子核反应堆——铅铋合金反应堆，不仅服务于百万千瓦级的大型电厂，还被设计成兆瓦级小型模块化核电源，甚至家用轿车都有望能装载移动式小型核电源。将来车载核能梦，“铋”将实现。
来源：参考文献[13]
3
柔性穿戴设备
**碲化铋及其衍生物是目前广泛应用的近室温热电材料，具有优秀的热电性能，在柔性热电器件中具有巨大潜力。**利用铋制备的超薄柔性铋基霍尔传感器，可以在不损失磁性或电学性能的情况下，实现在手指上或手腕上的弯曲。这种穿戴设备有望在电子皮肤、可穿戴生理监测治疗装置等方面获得应用。
4
磁悬浮列车
金属铋本身虽然没有磁性，但是对磁场有强烈的抗性，是强烈的抗磁性材料。只要在一个稳定的磁场中，铋就可以神奇的悬浮起来，因而被应用于磁悬浮列车的制造。
5
其它特性和应用
德国马普固体物理和材料研究所曾在《自然》期刊上介绍：“铋可能是元素周期表中最奇特且被低估的元素之一”。世界铋科学研究在诸多领域已形成了研究热点，这种绿色金属的潜力正在不断呈现。
铋金属熔点很低（271.4℃），沸点很高（1564℃），常被用于制作低熔点合金。如伍德合金，其标准组成中就有着 50%的铋，熔点仅为 70℃，可用于制作保险丝、自动灭火装置的感温探头等。
铋金属是为数不多的冷胀热缩材料，固化时体积会膨胀 3.3%左右，可用于有较高要求的精密铸造。
来源：参考文献[14]
铋及其化合物、复合物具有良好的光电响应，在发光材料、光电探测、太阳能电磁等领域都有应用。例如铋基钙钛矿太阳能电池作为铅钙钛矿太阳能电池的替代品，被誉为“光伏领域的新希望”。
来源：参考文献[15]
铋元素还有很多应用……
金属铋在影视剧中是传奇的“五色石”。在现实生活中，早期被误解为“制造中的银”，后续认识到它是“不同的金属”。
人工铋晶体长得光怪陆离，又带有科幻色彩，吸引着一波爱好者。因为独特的物理化学性质，它在日常生活以及工业生产中被大量应用，还在许多新兴领域焕发出勃勃生机……
这样说来，铋确实算得上一种“世代相传的神物”了！
参考文献
[1] 天音.元素周期表中最奇特和最被低估的元素-铋.石头科普工作室. 2024.9.14.
[2] 金属铋：自然界的彩虹金属. 探秘自然. 2023.6.15.
[3] 稀有金属RareMetals. 人类“铋”需？走近稀有金属铋.2023.9.4.
[4] 缪煜清. 华美的登场的战略金属-铋. 铋科学研究中心团队。2023.5.11.
[5] Cao Tianyi, Shi Xiao-Lei, Li Meng, et al. 2023. Advances in bismuth-telluride-based thermoelectric devices: Progress and challenges. eScience.3(3), 100122.
[6]https://www.chemistrylearner.com
[7]https://www.dreamstime.com/
[8]https://rockseeker.com
[9]http://www.yidianchina.com/
[10]https://www.vectorstock.com/
[11]http://pleinvanity.com
[12]https://shop.kremerpigments.com
[13]https://www.sensaweb.com
[14]https://www.easiahome.com/
[15]https://nula.bg/
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来源丨上海自然博物馆（ID：snhm01）
作者丨刘正华
责编丨何通
审校丨徐来、林林
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