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网剧中传说的“冰夷族神石”,被科学家玩出了花

科普中国  · 公众号  · 科学  · 2024-12-15 15:30

正文


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 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。


来源:geologypage


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( Bi 2 O 3 )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。


自然铋人工培育冷却结晶过程 来源:B 站@十五的月亮廿九圆


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 1.9×10 19 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 (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 (BiVO 4 。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(BiVO 4 )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。


来源:eScience


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。


来源于YouTube@ Nighthawkinlight


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……







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