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「铋」:修訂間差異

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大多數鉍是作為提取其他金屬的副產品而生產的,包括:鉛,鎢和銅的冶煉。它的[[可持續性]]取決於增加回收,但這是有困難的。
大多數鉍是作為提取其他金屬的副產品而生產的,包括:鉛,鎢和銅的冶煉。它的[[可持續性]]取決於增加回收,但這是有困難的。


曾有人認為,鉍可以從電子設備的焊接接頭中完整的回收,可是隨著最近電子設備中焊料應用的效率增加,因此焊料的用量明顯減少,故而難以回收。要從含銀的焊料中回收銀,可能仍然具有經濟效益,但回收鉍的經濟效益則少了許多。<ref>{{cite web|url = http://leadfree.ipc.org/files/RoHS_15.pdf|author = Warburg, N|publisher = University of Stuttgart|title = IKP, Department of Life-Cycle Engineering|accessdate = 5 May 2009|url-status = dead|archiveurl = https://web.archive.org/web/20090225155540/http://leadfree.ipc.org/files/RoHS_15.pdf|archivedate = 25 February 2009|df = dmy-all}}</ref>
曾有人認為,鉍可以從電子設備的焊接接頭中完整的回收,可是隨著最近電子設備中焊料應用的效率增加,因此焊料的用量明顯減少,故而難以回收。要從含銀的焊料中回收銀,可能仍然具有經濟效益,但回收鉍的經濟效益則少了許多。<ref>{{cite web|url = http://leadfree.ipc.org/files/RoHS_15.pdf|author = Warburg, N|publisher = University of Stuttgart|title = IKP, Department of Life-Cycle Engineering|accessdate = 5 May 2009|dead-url = yes|archiveurl = https://web.archive.org/web/20090225155540/http://leadfree.ipc.org/files/RoHS_15.pdf|archivedate = 25 February 2009|df = dmy-all}}</ref>


因此,未來可行的回收方式,主要是要回收鉍含量較大的催化劑,例如:磷鉬酸鉍{{citation needed|date=March 2018}}、用於鍍鋅的鉍,以及作為快削加工的冶金添加劑。{{citation needed|date=March 2018}}
因此,未來可行的回收方式,主要是要回收鉍含量較大的催化劑,例如:磷鉬酸鉍{{citation needed|date=March 2018}}、用於鍍鋅的鉍,以及作為快削加工的冶金添加劑。{{citation needed|date=March 2018}}

於 2019年12月18日 (三) 09:10 的修訂

鉍 83Bi
氫(非金屬) 氦(惰性氣體)
鋰(鹼金屬) 鈹(鹼土金屬) 硼(類金屬) 碳(非金屬) 氮(非金屬) 氧(非金屬) 氟(鹵素) 氖(惰性氣體)
鈉(鹼金屬) 鎂(鹼土金屬) 鋁(貧金屬) 矽(類金屬) 磷(非金屬) 硫(非金屬) 氯(鹵素) 氬(惰性氣體)
鉀(鹼金屬) 鈣(鹼土金屬) 鈧(過渡金屬) 鈦(過渡金屬) 釩(過渡金屬) 鉻(過渡金屬) 錳(過渡金屬) 鐵(過渡金屬) 鈷(過渡金屬) 鎳(過渡金屬) 銅(過渡金屬) 鋅(過渡金屬) 鎵(貧金屬) 鍺(類金屬) 砷(類金屬) 硒(非金屬) 溴(鹵素) 氪(惰性氣體)
銣(鹼金屬) 鍶(鹼土金屬) 釔(過渡金屬) 鋯(過渡金屬) 鈮(過渡金屬) 鉬(過渡金屬) 鎝(過渡金屬) 釕(過渡金屬) 銠(過渡金屬) 鈀(過渡金屬) 銀(過渡金屬) 鎘(過渡金屬) 銦(貧金屬) 錫(貧金屬) 銻(類金屬) 碲(類金屬) 碘(鹵素) 氙(惰性氣體)
銫(鹼金屬) 鋇(鹼土金屬) 鑭(鑭系元素) 鈰(鑭系元素) 鐠(鑭系元素) 釹(鑭系元素) 鉕(鑭系元素) 釤(鑭系元素) 銪(鑭系元素) 釓(鑭系元素) 鋱(鑭系元素) 鏑(鑭系元素) 鈥(鑭系元素) 鉺(鑭系元素) 銩(鑭系元素) 鐿(鑭系元素) 鎦(鑭系元素) 鉿(過渡金屬) 鉭(過渡金屬) 鎢(過渡金屬) 錸(過渡金屬) 鋨(過渡金屬) 銥(過渡金屬) 鉑(過渡金屬) 金(過渡金屬) 汞(過渡金屬) 鉈(貧金屬) 鉛(貧金屬) 鉍(貧金屬) 釙(貧金屬) 砈(類金屬) 氡(惰性氣體)
鍅(鹼金屬) 鐳(鹼土金屬) 錒(錒系元素) 釷(錒系元素) 鏷(錒系元素) 鈾(錒系元素) 錼(錒系元素) 鈽(錒系元素) 鋂(錒系元素) 鋦(錒系元素) 鉳(錒系元素) 鉲(錒系元素) 鑀(錒系元素) 鐨(錒系元素) 鍆(錒系元素) 鍩(錒系元素) 鐒(錒系元素) 鑪(過渡金屬) 𨧀(過渡金屬) 𨭎(過渡金屬) 𨨏(過渡金屬) 𨭆(過渡金屬) 䥑(預測為過渡金屬) 鐽(預測為過渡金屬) 錀(預測為過渡金屬) 鎶(過渡金屬) 鉨(預測為貧金屬) 鈇(貧金屬) 鏌(預測為貧金屬) 鉝(預測為貧金屬) 鿬(預測為鹵素) 鿫(預測為惰性氣體)




外觀
銀白色光澤
概況
名稱·符號·序數鉍(bismuth)·Bi·83
元素類別貧金屬
·週期·15·6·p
標準原子質量208.98040(1)
電子排布[Xe] 4f14 5d10 6s2 6p3
2, 8, 18, 32, 18, 5
鉍的電子層(2, 8, 18, 32, 18, 5)
鉍的電子層(2, 8, 18, 32, 18, 5)
歷史
發現克勞德·弗朗索瓦·若弗魯瓦(1753年)
物理性質
物態固體
密度(接近室溫
9.78 g·cm−3
熔點時液體密度10.05 g·cm−3
熔點544.7 K,271.5 °C,520.7 °F
沸點1837 K,1564 °C,2847 °F
熔化熱11.30 kJ·mol−1
汽化熱179 kJ·mol−1
比熱容25.52 J·mol−1·K−1
蒸氣壓
壓/Pa 1 10 100 1 k 10 k 100 k
溫/K 941 1041 1165 1325 1538 1835
原子性質
氧化態5, 4, 3, 2, 1, −1, −2, −3
((a mildly acidic oxide))
電負性2.02(鮑林標度)
電離能第一:703 kJ·mol−1
第二:1610 kJ·mol−1
第三:2466 kJ·mol−1
更多
原子半徑156 pm
共價半徑148±4 pm
范德華半徑207 pm
鉍的原子譜線
雜項
晶體結構三方[1]
磁序抗磁性
電阻率(20 °C)1.29 µΩ·m
熱導率7.97 W·m−1·K−1
膨脹系數(25 °C)13.4 µm·m−1·K−1
聲速(細棒)(20 °C)1790 m·s−1
楊氏模量32 GPa
剪切模量12 GPa
體積模量31 GPa
泊松比0.33
莫氏硬度2.25
布氏硬度70–95 MPa
CAS號7440-69-9
同位素
主條目:鉍的同位素
同位素 豐度 半衰期t1/2 衰變
方式 能量MeV 產物
207Bi syn 31.55 y β+ 2.399 207Pb
208Bi syn 3.68×105 y β+ 2.880 208Pb
209Bi 100% 1.9×1019 y α 3.137 205Tl
210Bi trace 5.012 d β 1.426 210Po
α 5.982 206Tl
210mBi syn 3.04×106 y IT 0.271 210Bi
α 6.253 206Tl

Bismuth)是一種化學元素,它的化學符號Bi,它的原子序數是83,是有銀白色光澤的金屬

鉍的化學性質與類似。鉍是最反磁性(又稱抗磁性)的金屬,亦是除以外有最低熱導率的金屬。鉍還擁有最高的霍爾係數 ,它具有較高的電阻 。當鉍以極薄的層在物體表面沉積時具有半導體的性質,儘管鉍是一個後過渡金屬。可用於製備易熔合金及與融合防止錫疫

鉍是一種脆性金屬,在自然界中,常以單質形式出現。鉍晶體的表面有時會呈現出不同顏色的色調,這是由於鉍晶體在空氣中氧化時形成的氧化層厚度不一,導致不同波長的光受到不同程度的反射,因此呈現出彩虹的顏色。

以前鉍被認爲是最重的穩定元素,然而在2003年時發現,鉍唯一的天然同位素鉍-209可經α衰變變爲-205[3]。其半衰期為1.9×1019年左右,達到宇宙年齡的10億倍,因此放射性極弱,可以被視為穩定的非放射性元素。但其「質量最大的穩定元素」的身分應改由(原子序82)獲取。

與其他重金屬不同的是,鉍的毒性與鉛或銻相比相對較低。鉍不容易被身體吸收、不致癌、不損害DNA構造、可透過排尿帶出體外。基於這些原因,鉍經常被用於取代鉛的應用上(約佔目前鉍產量的三分之一)。例如用於無鉛子彈,無鉛銲錫、藥物和化妝品上,特別是次水楊酸鉍,用來治療腹瀉。而鉍的化合物的產量約佔鉍總產量的一半。

金屬冶煉

化學元素鉍的合成晶體,表面是非常薄並閃光的氧化層。

工業上將冶煉鉍主要是通過氧化鉍氧化還原反應,冶煉爐中的反應方程式主要為:

Bi2O3+3C→2Bi+3CO↑
Bi2O3+3CO→2Bi+3CO2

其中,產生的一氧化碳還可能把雜質金屬的氧化物還原:

PbO+CO→Pb+CO2

這些雜質溶於金屬鉍中組成還原熔煉產物粗鉍。如果鉍礦中還含有銅,則通常加入黃鐵礦來回收銅:

2Cu+FeS2→Cu2S+FeS

硫化鉍礦可以加入屑來冶煉鉍,主要的反應方程式是:

Bi2S3+3Fe→2Bi+3FeS

同樣,有部分雜質熔入金屬鉍得到粗鉍。

氧化鉍和硫化鉍的混合礦則可以通過混合熔煉法來冶煉金屬鉍,冶煉過程是根據氧化鉍和硫化鉍彼此之間的氧化還原反應:

Bi2S3+2Bi2O3→6Bi+3SO2↑。

濕法冶煉鉍常用氯化鐵-鹽酸法和鐵粉置換法。氯化鐵-鹽酸法是將硫化鉍礦溶解在三氯化鐵和鹽酸(HCl)的混合溶液中:

Bi2S3+6FeCl3→2BiCl3+6FeCl2+3S

其中,FeCl3還能溶解鉍礦中的天然鉍:

3FeCl3+Bi→BiCl3+3FeCl2

礦中如果有氧化鉍則直接被鹽酸溶解:

Bi2O3+6HCl→2BiCl3+3H2O。

鹽酸的另外一個作用是防止生成的BiCl3水解成不溶性的BiOCl沉澱。鐵粉置換法則是把生成的氯化鉍中的鉍置換出來:

3Fe+2BiCl3→2Bi+3FeCl2

這時沉澱出來的鉍為海綿狀的。海綿鉍如果直接在空氣中加熱會導致氧化,因此工業上熔融鉍是在熔融的氫氧化鈉中進行的,這樣既可以防止鉍的氧化,又可以讓生成的液態鉍下沉易於聚集,鉍中的氧化物及雜質能被氫氧化鈉溶解。[4]

化學性質

鉍的化學性質相似,常溫下不與作用,因此,鉍在空氣中穩定。在加熱至熔點時,鉍表面逐漸生成灰黑色的氧化物。金屬鉍可以在一定條件下和鹵素直接反應生成三鹵化鉍。高溫下,金屬鉍能和很多非金屬及金屬生成三價鉍的化合物,鉍的還原電勢為正值,即在電動序中位於後,所以鉍不和非氧化性酸反應。鉍能溶於熱的濃硫酸中,也能順利地和硝酸反應。與砷、銻不同,鉍有生成含氧酸鹽的明顯趨勢,如硫酸鉍硝酸鉍砷酸鉍等。鉍不和鹼反應。

需要指出的是,鉍與氧化劑作用時通常只生成3價鉍而不是5價鉍。+5氧化態的鉍遠不如砷(V)以及銻(V)穩定。這不僅僅是因為鉍的第IV電離能及第V電離能之和(9.776mJ·mol-1),而且還因為6s2的一個電子激發到6d空軌道需要很大的能量,所以由低氧化態的鉍生成Bi(V)的化合物是很艱難的。[5]

此外,鉍還能形成原子簇化合物。

鉍唯一的天然同位素鉍是鉍209,在傳統上也被視為最重的穩定同位素,但它長期以來一直懷疑是不穩定的。在2003年最終表明,當研究人員在法國的l'Institut d'Astrophysique Spatiale d'Orsay,測得鉍209的半衰期為1.9×1019 年s ,相當於十億倍於現在宇宙年齡。由於其特別長的半衰期,為所有目前已知的醫療和工業應用,鉍可以被視為穩定的非放射性。而對它的放射性是純粹是學術興趣,因為鉍是少數幾個元素,它的放射性首先在理論上被懷疑而不會在實驗室中被發現。鉍具有最長已知α衰變半衰期,雖然碲-128具有雙重β衰變以上的半衰期 2.2×1024 年

具有短半衰期的幾種同位素也已被發現,可以衰變為錒,鐳和釷。鉍213還被發現衰變成鈾233。

在商業上,放射性同位素鉍-213可以通過一個子直線粒子加速器轟擊產生鐳用製造輻射。在1997年,抗體結合物與鉍213,其具有45分鐘的半衰期和衰變與α粒子的排放,被用來治療患者的白血病。這種同位素也已嘗試了在癌症治療中,例如,在靶向α治療(TAT)程序。

化合物

鉍形成三價和五價化合物,三價化合物較為常見。它的許多化學性質類似於,儘管它們的毒性低於那些較輕元素的衍生物的毒性。

氧化物和硫化物

在高溫下,金屬鉍的蒸氣與氧迅速結合,形成黃色的Bi
2
O
3
[6][7] [8] 熔融時,在710℃以上的溫度之下,這種氧化物會腐蝕任何金屬氧化物,甚至是鉑。在與鹼反應時,它會形成兩種含氧離子系列:BiO
2
(其聚合物為線性鏈);和BiO3−
3
Li
3
BiO
3
的負離子Bi
8
O24−
24
實際上是立方八聚體陰離子,而Na
3
BiO
3
中的負離子則是四聚體。[9]

深紅色的鉍(V)氧化物Bi
2
O
5
不穩定,加熱時會釋放出O
2
[10]

化合物 NaBiO3是一種強氧化劑。[11]

Bi
2
S
3
存在於天然的鉍礦石中。它也是由熔融的鉍和硫結合產生的。[12] [13]

氯氧化鉍(BiOCl)結構(礦物氯鉍礦)。鉍原子顯示為灰色,氧為紅色,氯為綠色。.

氯氧化鉍(BiOCl,請參見右圖)和硝酸氧鉍(BiONO3)在化學計量上以鉍(III)陽離子(BiO +)的簡單陰離子鹽的形式出現,其通常在含水鉍化合物中出現。然而,在BiOCl的情況下,鹽晶體以Bi、O和Cl原子的交替板的結構形成,其中每個氧在相鄰平面中與四個鉍原子配位。這種礦物化合物被用作顏料和化妝品(見下文)。[14]

氫化鉍(III)和鉍化物

與較輕的氮族元素氮、磷和砷不同,但與相似,鉍不能形成穩定的氫化物氫化鉍 (BiH
3
)是在室溫下自發分解的吸熱化合物。它僅在-60°C以下穩定。[9]鉍化物是鉍與其他金屬之間的金屬間化合物

在2014年,研究人員發現,鉍鈉可以以一種稱為「三維拓撲狄拉克半金屬」(3DTDS)的形式存在,該物質散裝具有3D狄拉克費米子。它是石墨烯的天然三維對應物,具有相似的電子移動率和漂移速度。石墨烯和拓撲絕緣體(例如3DTDS中的絕緣體)都是晶體材料,它們在內部是與電絕緣的, 但在表面上是可以導電的,從而可使用在電晶體和其他電子設備上。儘管鉍鈉(Na
3
Bi
)太不穩定,以至於無法在沒有包裝的設備中使用, 但它仍可以展示出3DTDS系統的潛在應用,且在半導體自旋電子學的應用中, 它與平面石墨烯相比, 具有明顯的效率和製造優勢。 [15][16]

鹵化物

低氧化態的鉍鹵化物已被證明具有不同尋常的結構。最初被認為是氯化鉍(I)(BiCl),結果是由Bi5+
9
陽離子和BiCl2−
5
、Bi
2
Cl2−
8
陰離子組合成的複合化合物。 [9][17]Bi5+
9
陽離子具有扭曲的三鍵三角柱狀分子幾何形狀, 也存在於Bi
10
Hf
3
Cl
18
之中,Bi
10
Hf
3
Cl
18
是通過將氯化鉿(IV)氯化鉍與元素鉍的混合物還原而製成的,具有[Bi+
]、[Bi5+
9
]、[HfCl2−
6
]
3
的結構。[9]:50其他多原子鉍陽離子也已經被知悉,例如:在Bi
8
(AlCl
4
)
2
中被發現的Bi2+
8
[17] 鉍也能形成具有與「BiCl」相同結構的低價溴化物。另外,還有一個真正的單一碘化物BiI,它包含Bi
4
I
4
單元鏈。BiI可加熱分解為BiI
3
和元素鉍。此外,也存在有相同結構的一溴化物。[9]

在氧化態為+3時,鉍與所有的鹵素(即BiF
3
BiCl
3
BiBr
3
BiI
3
)都會形成三鹵化物。這些鹵素除了BiF
3
之外,都會被水水解。[9]

氯化鉍(III)氯化氫乙醚溶液中會反應生成酸HBiCl
4
[18]

很少出現+5的氧化態。其中一種這樣的化合物便是BiF
5
,一種強效的氧化劑和氟化劑。它也是強氟化物的受體,與四氟化氙反應形成XeF+
3
陽離子[18]

BiF
5
+ XeF
4
XeF+
3
BiF
6

含水化合物

水溶液中,Bi3+
離子在強酸的條件下會被溶劑化,形成水離子Bi(H
2
O)3+
8
[19] 在pH> 0的條件下,則會存在多核物質,其中最重要的是八面體複合物[Bi
6
O
4
(OH)
4
]6+
[20]

產地和生產

砷鉍礦


在地殼中,鉍的含量大約是金的兩倍。鉍最重要的是礦石是砷鉍礦和輝鉍礦。天然鉍礦的產地主要來自澳洲、玻利維亞和中國。[21] Native bismuth is known from Australia, Bolivia, and China.[22][23]

根據美國地質調查局的研究,2016年全球鉍的採礦產量為10,200公噸,主要產自中國(7,400噸)、越南(2,000噸)、墨西哥(700噸)。[24] 2016年的全球精煉廠產量則為17,100噸,其中中國生產11,000噸、墨西哥539噸、日本428噸。[25] 這個數量上的差異顯示出,鉍的地位是作為提取其他金屬(例如:鉛、銅、鋅、錫、鉬、鎢等)的副產品。 精煉廠生產的全球鉍產量的統計數據是較為完整與可靠的。[26] [27][28][29]

鉍存在於粗鉛金條中(含鉍量高達10%),經過數個精煉的階段,直到透過白特頓-克洛耳法的程序將之分離出來例如爐渣等的雜質,或是以貝滋電解法將之提煉出來。鉍與另一種主要金屬銅的作用相似。[27] 生鉍礦經過上述兩種處理程序後,仍存有相當多的其他金屬,其中最重要的是鉛。藉由熔融混合物與氯氣反應,其他金屬可以轉化為氯化物,而鉍則仍保持不變。雜質也可以透過各種其他方法去除,例如:使用助熔劑等處理方法,來製成高純度的鉍金屬(Bi含量超過99%)。

價格

World mine production and annual averages of bismuth price (New York, not adjusted for inflation).[30]

鉍金屬全球產量和年平均價格 在20世紀的大部分時間裏,純鉍金屬的價格一直相對地穩定,除了1970年代的飆升之外。鉍一直以來是主要作為提煉鉛的副產品而生產的,因此價格通常反映出生產、需求和回收成本之間的平衡。[30]

在第二次世界大戰之前,對鉍的需求很小,而且主要是用在醫藥上--鉍化合物被用來治療消化系統的疾病、性傳播疾病和燒傷等。少數鉍金屬則是用在消防噴水系統和保險絲的易熔合金上。 在第二次世界大戰期間,鉍被認為是一種戰略性的材料,用於焊料、易熔合金、藥物和原子研究。 為了穩定市場,生產商在戰爭期間將價格定為每磅1.25美元(2.75美元/公斤),從1950年到1964年的價格則定為每磅2.25美元(4.96美元/公斤)。 [30]

1970年代初期,由於對於作為鋁、鐵和鋼的冶金添加劑的鉍的需求量增加,價格因此迅速上漲。 隨後由於全球產量增加、消耗量穩定,以及1980年、1981年至1982年的經濟衰退,其價格下降。到了1984年,隨着全球消費量的增加,價格又開始攀升,特別是在美國和日本。在1990年代初期,開始對鉍進行評估研究,因為鉍可以作為鉛的無毒替代品,例如用於:陶瓷釉料、魚墜、食品加工設備、管線應用的車床加工黃銅、潤滑油脂和水禽狩獵[31] 儘管得到了美國聯邦政府的鉛替代政策的支持,在1990年代中期,這些領域的使用率依然增長緩慢,直到2005年左右,有所加劇,導致價格迅速且持續地上漲。[30]

回收

大多數鉍是作為提取其他金屬的副產品而生產的,包括:鉛,鎢和銅的冶煉。它的可持續性取決於增加回收,但這是有困難的。

曾有人認為,鉍可以從電子設備的焊接接頭中完整的回收,可是隨着最近電子設備中焊料應用的效率增加,因此焊料的用量明顯減少,故而難以回收。要從含銀的焊料中回收銀,可能仍然具有經濟效益,但回收鉍的經濟效益則少了許多。[32]

因此,未來可行的回收方式,主要是要回收鉍含量較大的催化劑,例如:磷鉬酸鉍[來源請求]、用於鍍鋅的鉍,以及作為快削加工的冶金添加劑。[來源請求]

鉍最廣泛使用的用途包括:某些胃藥(次水楊酸鉍)、油漆塗料(釩酸鉍)、珠光化妝品(氯氧化鉍)和含鉍子彈。但從這些用途中回收鉍,是不切實際的。

參見

參考資料

  1. ^ Cucka, P.; Barrett, C. S. The crystal structure of Bi and of solid solutions of Pb, Sn, Sb and Te in Bi. Acta Crystallographica. 1962, 15 (9): 865. doi:10.1107/S0365110X62002297. 
  2. ^ Standard Atomic Weights 2013. Commission on Isotopic Abundances and Atomic Weights. 
  3. ^ Dumé, Belle. Bismuth breaks half-life record for alpha decay. Physicsweb. 2003-04-23. 
  4. ^ 無機化學叢書.第四卷.P472.鉍的生產與應用
  5. ^ 無機化學叢書.第四卷.P484.鉍的化學性質
  6. ^ 引用錯誤:沒有為名為w768的參考文獻提供內容
  7. ^ Greenwood, p. 553.
  8. ^ Krüger, p. 185
  9. ^ 9.0 9.1 9.2 9.3 9.4 9.5 Godfrey, S. M.; McAuliffe, C. A.; Mackie, A. G.; Pritchard, R. G. Nicholas C. Norman , 編. Chemistry of arsenic, antimony, and bismuth. Springer. 1998: 67–84. ISBN 978-0-7514-0389-3. 
  10. ^ Scott, Thomas; Eagleson, Mary. Concise encyclopedia chemistry. Walter de Gruyter. 1994: 136. ISBN 978-3-11-011451-5. 
  11. ^ Greenwood, p. 578.
  12. ^ An Introduction to the Study of Chemistry. Forgotten Books. : 363. ISBN 978-1-4400-5235-4. 
  13. ^ 引用錯誤:沒有為名為g559的參考文獻提供內容
  14. ^ 引用錯誤:沒有為名為k184的參考文獻提供內容
  15. ^ 3D counterpart to graphene discovered [UPDATE]. KurzweilAI. 20 January 2014 [28 January 2014]. 
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外部連結