繆煜清｜文

臺(tái)積電宣布研發(fā)出了鉍基的半導(dǎo)體新材料，有助實(shí)現(xiàn)1 納米半導(dǎo)體芯片工藝，引起了媒體和公眾對(duì)鉍元素的廣為關(guān)注。實(shí)際上，在元素周期表中鉍是一種非常不起眼的元素，但它也可能是元素周期表中最奇特和最被低估的元素。綠色金屬鉍具有非常多的特殊性質(zhì)，引起科學(xué)界和產(chǎn)業(yè)界的關(guān)注，相信這個(gè)原本并不起眼的金屬將掀起材料科學(xué)領(lǐng)域新一輪革命。

鉍元素華美登場(chǎng)

5月，就在美國IBM公布2納米芯片工藝之后不久，臺(tái)積電宣布研發(fā)出了鉍基的半導(dǎo)體新材料，能夠達(dá)到極低電阻，接近量子極限，有助實(shí)現(xiàn)1納米半導(dǎo)體芯片工藝。這是一個(gè)了不起的突破，也引起了媒體和公眾對(duì)鉍元素的廣為關(guān)注。

一個(gè)曾經(jīng)的灰姑娘即將華美登場(chǎng)，其實(shí)這次的閃亮登場(chǎng)早有線索，近年來，鉍元素的不尋常的物理特性已經(jīng)引起了科學(xué)界的重視。不久前，德國馬普固體物理和材料研究所在《自然》雜志上介紹“鉍晶體是一種新材料類別——二階拓?fù)浣^緣體，能以最小的損耗在晶體邊緣傳導(dǎo)電流。換言之，電能的傳輸將變得沒有熱損耗！”并評(píng)價(jià)說：“鉍可能是周期表中最奇特和最被低估的元素之一，這個(gè)原本在元素周期表中并不起眼的金屬即將掀起材料科學(xué)領(lǐng)域新一輪革命……”

鉍元素的認(rèn)識(shí)歷史

鉍金屬呈現(xiàn)灰白色的外觀，的確是一個(gè)不起眼的“灰姑娘”。社會(huì)公眾對(duì)它的了解極為有限，很多人甚至沒有聽說過這樣一種元素。作為一種金屬元素，和鉑、金、銀等貴金屬相比，它出身寒門，身價(jià)低微；和銅、鐵、錫、鉛等常見金屬相比，它的應(yīng)用極為有限，以至于零落江湖，無人關(guān)注。據(jù)說在古希臘時(shí)代就用金屬鉍做箱盒的底座了，但這種金屬常常和錫、鉛的礦石混雜在一起，直到16世紀(jì)，德意志的煉金術(shù)士還把鉍和錫認(rèn)為是另外兩種鉛，甚至認(rèn)為鉍是鉛向銀轉(zhuǎn)變過程的中間物質(zhì)，如果給予更多的時(shí)間，鉍能夠轉(zhuǎn)化為銀。顯然，這是一種荒誕的認(rèn)識(shí)。

最遲在19 世紀(jì)初，鉍已經(jīng)用于胃潰瘍等胃病的治療，這也是我們今天最為熟悉的鉍的應(yīng)用，比如果膠鉍、次枸櫞酸鉍、鋁酸鉍、胃鉍鎂等胃藥，盡管我們很少關(guān)注其中含有鉍的成分。1941至1945年二戰(zhàn)期間，戰(zhàn)爭(zhēng)帶來了淋病的爆發(fā)，鉍經(jīng)常用來和其他藥物配伍治療淋病，這種狀況一直延續(xù)到青霉素出現(xiàn)。此后，鉍化合物主要被當(dāng)作一種抗感染的藥物，用于治療腹瀉、瘧疾、胃和十二指腸潰瘍等疾病。

從20世紀(jì)60年代開始，對(duì)“灰姑娘”鉍元素的研究開始迅速增長(zhǎng)，主要集中在物理、化學(xué)性質(zhì)及其應(yīng)用，如電導(dǎo)、熱導(dǎo)、熱電、壓電、光、磁、電磁、催化等性質(zhì)及其在醫(yī)藥、電子、材料等領(lǐng)域的應(yīng)用。特別是近十年、近二十年對(duì)鉍的研究更是急劇上升，尤其是在醫(yī)藥、半導(dǎo)體、光電催化等領(lǐng)域。實(shí)際上，過去的幾十年是從丑小鴨變成白天鵝的過程，鉍元素逐步展現(xiàn)出許多極為特殊的性質(zhì)和性能，為它將來的應(yīng)用展現(xiàn)出無限的可能。

鉍元素的特殊性質(zhì)

鉍（bismuth）是一種金屬元素，元素符號(hào)是Bi，原子序數(shù)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個(gè)相對(duì)穩(wěn)定的元素。它和鉛一樣，都是重金屬，但和鉛不一樣的是，它的單質(zhì)和化合物常常低毒或無毒，有的毒性甚至低于NaCl，這一點(diǎn)使得鉍成為公認(rèn)的綠色金屬。作為一種綠色元素，鉍及其化合物很多具有抗菌、消炎、抗腫瘤等藥物作用，一些新的鉍基藥物正在被研發(fā)或者應(yīng)用，期望用于治療胃病、癌癥等疾病，比如鉍四聯(lián)劑對(duì)清除胃幽門螺旋桿菌表現(xiàn)的出色療效。

鉍的原子序數(shù)大，相對(duì)原子質(zhì)量大（208.98），能夠衰減、屏蔽x射線或γ輻射，可用于醫(yī)學(xué)成像中的造影或防護(hù)。利用鉍基納米化合物或者復(fù)合物的成像性、藥物性、載藥性、熒光、光聲和光熱等特性，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)腫瘤部位的多模態(tài)診斷與治療，如CT成像、熒光成像、光聲、光熱治療、放射治療、光動(dòng)力治療等，從而提高癌癥診斷和治療的準(zhǔn)確性和高效性。

鉍的密度很大（9.8g/cm3），是鉛密度的87%。在很多場(chǎng)合，常常用于鉛的替代品。世界各國對(duì)有毒鉛的限制使用，進(jìn)一步擴(kuò)大了鉍的應(yīng)用，使世界上鉍消費(fèi)量增加約25%。

鉍的熔點(diǎn)很低（271.4℃），很容易通過冶煉生產(chǎn)，在焊料、電熔斷器和自動(dòng)噴水滅火系統(tǒng)等方面也有著重要的應(yīng)用。和鉛、錫、銻、銦等金屬組成的鉍易熔合金，熔點(diǎn)甚至低達(dá)47℃，可以用于消防裝置、自動(dòng)噴水器、鍋爐的安全塞，一旦發(fā)生火災(zāi)，活塞熔化，自動(dòng)噴水滅火。鉛鉍合金熔點(diǎn)低、沸點(diǎn)高，我國首座鉛鉍合金冷卻反應(yīng)堆零功率裝置，是里程碑式的重大進(jìn)展。

鉍金屬是為數(shù)不多的冷漲熱縮材料，它在液相中的密度比在固相中的密度大，固化時(shí)體積會(huì)膨脹3.32%，這一特征與銻、鍺、硅、鎵和水相似，可用于對(duì)邊緣清晰度有較高要求的精密鑄造。在凝固過程中，鉍的膨脹補(bǔ)償了合金中同時(shí)存在的其他金屬成分的收縮，導(dǎo)致體積不會(huì)有明顯的變化。

鉍的導(dǎo)熱系數(shù)幾乎最低、霍爾系數(shù)最高，可以提高熱電材料的性能，而且它質(zhì)地柔軟，可用于研制具有機(jī)械柔性并且能夠直接或間接與皮膚緊密貼合的柔性可穿戴設(shè)備。

鉍是天然抗磁性最強(qiáng)的金屬，在20℃時(shí)比磁化率為16×10-9m3/kg，可以應(yīng)用在磁懸浮列車上。

鉍是最不像金屬的金屬，外觀上它很脆，導(dǎo)電性幾乎是所有金屬中最低的，有時(shí)候甚至把鉍稱之為半金屬。但在接近絕對(duì)零度時(shí)，鉍會(huì)變成超導(dǎo)體。此外，鉍的氧化物卻有很高的陽離子導(dǎo)電性，應(yīng)用于固態(tài)氧化物燃料電池和氧傳感器上。

鉍及其化合物、復(fù)合物很多具有良好的光和光電響應(yīng)，能在紫外、可見或近紅外光區(qū)被激發(fā)并表現(xiàn)出一定的光吸收、光致發(fā)光和光電響應(yīng)，可以應(yīng)用在發(fā)光材料，光、電催化產(chǎn)氫和降解污染物，以及光電探測(cè)器、場(chǎng)發(fā)射顯示器、太陽能電池等領(lǐng)域，特別是鉍基鈣鈦礦太陽能電池被譽(yù)為“光伏領(lǐng)域的新希望”。

純鉍是灰白色或銀白色，氧化后會(huì)在表面形成一層超薄的氧化層Bi2O3。由于不同波長(zhǎng)的光在入射和反射時(shí)發(fā)生變色折射，鉍晶體的表面呈現(xiàn)出典型的彩虹色外觀。作為一種綠色元素，許多鉍化合物具有鮮艷的顏色，常常用于化妝品或者顏料，比如氯氧化鉍 (BiOCl)具有獨(dú)特的層狀結(jié)構(gòu)，從而顯示出銀白色珍珠光澤，用于眼影、發(fā)膠、指甲油等化妝品的珠光效果，而釩酸鉍和鉬酸鉍混合體制得的鉍黃顏料可用于汽車顏料。

鉍化合物通常很難溶，即使是鉍的硝酸鹽和鈉鹽也很難溶，甚至在硝酸溶液中也能水解為沉淀，這也是它能夠用于胃潰瘍治療的一個(gè)原因。即使在強(qiáng)胃酸環(huán)境下，鉍鹽也很容易水解為彼此交聯(lián)的羥基化水合物納米膠體，它們和胃壁之間存在很強(qiáng)的氫鍵作用，吸附到潰瘍的表面，從而保護(hù)受損的胃黏膜，同時(shí)殺死造成胃潰瘍的罪魁禍?zhǔn)住拈T螺旋桿菌。

鉍有很多特殊的化學(xué)性質(zhì)。鉍單質(zhì)具有很高的析氫電位，可以代替水銀制作鉍膜電極用于重金屬離子的檢測(cè)。自然界中，鉍主要以Bi3+和Bi5+的形式存在，其中三價(jià)化合物是最常見和最穩(wěn)定的物質(zhì)，但Bi5+是強(qiáng)氧化劑，Bi5+/Bi3+電勢(shì)高達(dá)2.03V。Bi3+能夠以亞單原子層牢固吸附到鉑電極的表面，從而極大地提高鉑對(duì)小分子的電催化性能。

鉍元素的美好未來

鉍元素在地殼中的豐度和銀元素相當(dāng)，主要以輝鉍礦、鉍華和泡鉍礦的形式存在。幸運(yùn)的是，無論是鉍礦的儲(chǔ)量，還是鉍產(chǎn)品的產(chǎn)量和出口量，中國都位居世界第一。但遺憾的是，這三個(gè)第一卻沒有形成市場(chǎng)優(yōu)勢(shì)，出口量及市場(chǎng)價(jià)格長(zhǎng)期受國外市場(chǎng)和資本控制，極為被動(dòng)。深入開展鉍科學(xué)基礎(chǔ)理論研究、拓展鉍相關(guān)產(chǎn)品技術(shù)研發(fā)、推動(dòng)鉍產(chǎn)業(yè)健康有序發(fā)展，對(duì)我國科技進(jìn)步、資源發(fā)展以及經(jīng)濟(jì)建設(shè)具有重要的意義。隨著人類環(huán)保意識(shí)增強(qiáng)，這種“綠色”的鉍金屬在醫(yī)藥、催化劑、光電材料、光熱材料以及半導(dǎo)體等新型材料等方面的巨大潛力正不斷呈現(xiàn)，“灰姑娘”鉍元素正在華美登場(chǎng)，走到聚光燈下！