“灰姑娘”铋元素华美登场

缪煜清｜文

台积电宣布研发出了铋基的半导体新材料，有助实现1 纳米半导体芯片工艺，引起了媒体和公众对铋元素的广为关注。实际上，在元素周期表中铋是一种非常不起眼的元素，但它也可能是元素周期表中最奇特和最被低估的元素。绿色金属铋具有非常多的特殊性质，引起科学界和产业界的关注，相信这个原本并不起眼的金属将掀起材料科学领域新一轮革命。

铋元素华美登场

5月，就在美国IBM公布2纳米芯片工艺之后不久，台积电宣布研发出了铋基的半导体新材料，能够达到极低电阻，接近量子极限，有助实现1纳米半导体芯片工艺。这是一个了不起的突破，也引起了媒体和公众对铋元素的广为关注。

一个曾经的灰姑娘即将华美登场，其实这次的闪亮登场早有线索，近年来，铋元素的不寻常的物理特性已经引起了科学界的重视。不久前，德国马普固体物理和材料研究所在《自然》杂志上介绍“铋晶体是一种新材料类别——二阶拓扑绝缘体，能以最小的损耗在晶体边缘传导电流。换言之，电能的传输将变得没有热损耗！”并评价说：“铋可能是周期表中最奇特和最被低估的元素之一，这个原本在元素周期表中并不起眼的金属即将掀起材料科学领域新一轮革命……”

铋元素的认识历史

铋金属呈现灰白色的外观，的确是一个不起眼的“灰姑娘”。社会公众对它的了解极为有限，很多人甚至没有听说过这样一种元素。作为一种金属元素，和铂、金、银等贵金属相比，它出身寒门，身价低微；和铜、铁、锡、铅等常见金属相比，它的应用极为有限，以至于零落江湖，无人关注。据说在古希腊时代就用金属铋做箱盒的底座了，但这种金属常常和锡、铅的矿石混杂在一起，直到16世纪，德意志的炼金术士还把铋和锡认为是另外两种铅，甚至认为铋是铅向银转变过程的中间物质，如果给予更多的时间，铋能够转化为银。显然，这是一种荒诞的认识。

最迟在19 世纪初，铋已经用于胃溃疡等胃病的治疗，这也是我们今天最为熟悉的铋的应用，比如果胶铋、次枸橼酸铋、铝酸铋、胃铋镁等胃药，尽管我们很少关注其中含有铋的成分。1941至1945年二战期间，战争带来了淋病的爆发，铋经常用来和其他药物配伍治疗淋病，这种状况一直延续到青霉素出现。此后，铋化合物主要被当作一种抗感染的药物，用于治疗腹泻、疟疾、胃和十二指肠溃疡等疾病。

从20世纪60年代开始，对“灰姑娘”铋元素的研究开始迅速增长，主要集中在物理、化学性质及其应用，如电导、热导、热电、压电、光、磁、电磁、催化等性质及其在医药、电子、材料等领域的应用。特别是近十年、近二十年对铋的研究更是急剧上升，尤其是在医药、半导体、光电催化等领域。实际上，过去的几十年是从丑小鸭变成白天鹅的过程，铋元素逐步展现出许多极为特殊的性质和性能，为它将来的应用展现出无限的可能。

铋元素的特殊性质

铋（bismuth）是一种金属元素，元素符号是Bi，原子序数是83，在元素周期表中位于第六周期第五主族，是元素周期表中的最后一个相对稳定的元素。它和铅一样，都是重金属，但和铅不一样的是，它的单质和化合物常常低毒或无毒，有的毒性甚至低于NaCl，这一点使得铋成为公认的绿色金属。作为一种绿色元素，铋及其化合物很多具有抗菌、消炎、抗肿瘤等药物作用，一些新的铋基药物正在被研发或者应用，期望用于治疗胃病、癌症等疾病，比如铋四联剂对清除胃幽门螺旋杆菌表现的出色疗效。

铋的原子序数大，相对原子质量大（208.98），能够衰减、屏蔽x射线或γ辐射，可用于医学成像中的造影或防护。利用铋基纳米化合物或者复合物的成像性、药物性、载药性、荧光、光声和光热等特性，可以实现对肿瘤部位的多模态诊断与治疗，如CT成像、荧光成像、光声、光热治疗、放射治疗、光动力治疗等，从而提高癌症诊断和治疗的准确性和高效性。

铋的密度很大（9.8g/cm3），是铅密度的87%。在很多场合，常常用于铅的替代品。世界各国对有毒铅的限制使用，进一步扩大了铋的应用，使世界上铋消费量增加约25%。

铋的熔点很低（271.4℃），很容易通过冶炼生产，在焊料、电熔断器和自动喷水灭火系统等方面也有着重要的应用。和铅、锡、锑、铟等金属组成的铋易熔合金，熔点甚至低达47℃，可以用于消防装置、自动喷水器、锅炉的安全塞，一旦发生火灾，活塞熔化，自动喷水灭火。铅铋合金熔点低、沸点高，我国首座铅铋合金冷却反应堆零功率装置，是里程碑式的重大进展。

铋金属是为数不多的冷涨热缩材料，它在液相中的密度比在固相中的密度大，固化时体积会膨胀3.32%，这一特征与锑、锗、硅、镓和水相似，可用于对边缘清晰度有较高要求的精密铸造。在凝固过程中，铋的膨胀补偿了合金中同时存在的其他金属成分的收缩，导致体积不会有明显的变化。

铋的导热系数几乎最低、霍尔系数最高，可以提高热电材料的性能，而且它质地柔软，可用于研制具有机械柔性并且能够直接或间接与皮肤紧密贴合的柔性可穿戴设备。

铋是天然抗磁性最强的金属，在20℃时比磁化率为16×10-9m3/kg，可以应用在磁悬浮列车上。

铋是最不像金属的金属，外观上它很脆，导电性几乎是所有金属中最低的，有时候甚至把铋称之为半金属。但在接近绝对零度时，铋会变成超导体。此外，铋的氧化物却有很高的阳离子导电性，应用于固态氧化物燃料电池和氧传感器上。

铋及其化合物、复合物很多具有良好的光和光电响应，能在紫外、可见或近红外光区被激发并表现出一定的光吸收、光致发光和光电响应，可以应用在发光材料，光、电催化产氢和降解污染物，以及光电探测器、场发射显示器、太阳能电池等领域，特别是铋基钙钛矿太阳能电池被誉为“光伏领域的新希望”。

纯铋是灰白色或银白色，氧化后会在表面形成一层超薄的氧化层Bi2O3。由于不同波长的光在入射和反射时发生变色折射，铋晶体的表面呈现出典型的彩虹色外观。作为一种绿色元素，许多铋化合物具有鲜艳的颜色，常常用于化妆品或者颜料，比如氯氧化铋 (BiOCl)具有独特的层状结构，从而显示出银白色珍珠光泽，用于眼影、发胶、指甲油等化妆品的珠光效果，而钒酸铋和钼酸铋混合体制得的铋黄颜料可用于汽车颜料。

铋化合物通常很难溶，即使是铋的硝酸盐和钠盐也很难溶，甚至在硝酸溶液中也能水解为沉淀，这也是它能够用于胃溃疡治疗的一个原因。即使在强胃酸环境下，铋盐也很容易水解为彼此交联的羟基化水合物纳米胶体，它们和胃壁之间存在很强的氢键作用，吸附到溃疡的表面，从而保护受损的胃黏膜，同时杀死造成胃溃疡的罪魁祸首——幽门螺旋杆菌。

铋有很多特殊的化学性质。铋单质具有很高的析氢电位，可以代替水银制作铋膜电极用于重金属离子的检测。自然界中，铋主要以Bi3+和Bi5+的形式存在，其中三价化合物是最常见和最稳定的物质，但Bi5+是强氧化剂，Bi5+/Bi3+电势高达2.03V。Bi3+能够以亚单原子层牢固吸附到铂电极的表面，从而极大地提高铂对小分子的电催化性能。

铋元素的美好未来

铋元素在地壳中的丰度和银元素相当，主要以辉铋矿、铋华和泡铋矿的形式存在。幸运的是，无论是铋矿的储量，还是铋产品的产量和出口量，中国都位居世界第一。但遗憾的是，这三个第一却没有形成市场优势，出口量及市场价格长期受国外市场和资本控制，极为被动。深入开展铋科学基础理论研究、拓展铋相关产品技术研发、推动铋产业健康有序发展，对我国科技进步、资源发展以及经济建设具有重要的意义。随着人类环保意识增强，这种“绿色”的铋金属在医药、催化剂、光电材料、光热材料以及半导体等新型材料等方面的巨大潜力正不断呈现，“灰姑娘”铋元素正在华美登场，走到聚光灯下！