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军用红外热成像:图片来源百度网
01 王“锗”诞生 ✦
1869年,“化学之父”门捷列夫根据自己提出的元素周期律,尝试将当时已知的63种元素进行元素周期表排列,发现无法完全填补元素周期表的空位,因此便在表中留下一些空位,预言与硼、铝、硅类似的元素的存在,借助梵文前缀 eka ,将这些未知元素命名为 “类硼”、“类铝” 、 “类硅” 等,同时还预测了这些元素的颜色、原子量、密度等性质,这一预测为新元素的发现指明了方向。
1886年,德国化学家克雷门斯•温克勒在分析弗莱堡地区附近发现的一座品位非常高的银矿成因的时候,发现银矿石中有一未知的新元素,在通过实验探索后,成功提取出了这种新元素的单质。温克勒用从德国的拉丁名germania命名新元素为germanium(锗),以纪念其祖国,而锗的发现,巩固了新生的化学元素周期表。
锗金属:图片来源百度网
02 王“锗”之风 ✦
锗的原子序数是32,相对原子质量为72.63,元素周期表中位于第4周期、第IV A族,其位置靠近金属与非金属的分界线,其性质介于金属和非金属之间,因此具有“双面性”。锗在地壳中的储量较少,且分布不均匀,全球每吨地壳中约含有1.5至2.5克的锗。锗单质是一种灰白色准金属(粉末呈现暗黑色),有光泽,质地较硬,但缺乏良好的延展性,化学性质与锡和硅相近,在空气中较稳定,在自然界中很少以单质形式存在,通常与其他矿物质结合形成矿石。
锗具有很好的导热性,金属锗及其化合物具备良好的半导体性质,此外,锗的折射率为 4.0,具有高折射率和低色散性等优秀的光学性质,因而锗是“小金属”,却有大本领,用途广泛。
化学元素周期表:图片来源百度网
03 能“锗”多劳 ✦
半导体领域的“先驱者”。锗具有很高的电子迁移率、空穴迁移率、比硅更大的波尔激子半径和禁带宽度较小等特性,因此早期的半导体原件制造业中锗占据主要地位,以锗晶体为核心生产出来设备元件几乎覆盖整个半导体市场。虽然后期硅提纯技术的发展日趋成熟,逐渐开始代替锗在半导体行业的主导地位,但在某些高速开关和需要密集散热的元件上还要使用锗作为半导体材料。
发现真相的“火眼金睛”。金属锗在光学领域的表现堪称出色,拥有较宽的红外波段、高透过率、高折射率以及低色散等优秀光学性质,而且加工方便、成本相对较低,这些特性使得锗在热像仪的制造中成为理想的窗口、透镜和转鼓材料,让我们的视线能够穿越黑暗,洞察真相,因此锗晶片在红外光学行业的应用范围极其广泛。在军事领域,红外成像技术发挥着举足轻重的作用,无论是夜间侦察、目标追踪还是导弹制导,锗晶片都以其卓越的性能助力军事行动的高效进行。而在民用领域,汽车、消防、医疗和安检设备等行业的监视设备中,可以看到锗晶片的身影,锗晶片大规模应用极大地提高了安全检查的效率和准确性。
通信技术的“动力引擎”。光纤作为通信导体,尚无替代品,其高效、高速的传输特性在很大程度上依赖于锗的应用。锗在光纤通信中的应用主要体现在制造高速通信器件和光纤材料上。高纯度的四氯化锗是制作光纤预制棒的重要原材料。通过将锗掺杂到光纤中,可以提高光纤的折射率和传输的距离,从而实现光纤信号的零损耗传输。
太阳能电池的“继承者”。锗基太阳能电池凭借其独特的优势,如空间抗辐射、耐高温以及高光电转换效率,适应强烈的宇宙辐射和极端的高温环境太空环境,此外,锗基太阳能电池的高光电转换效率意味着它能够将更多的太阳能转化为电能,从而为人造卫星和太空站设备提供持续、稳定的电力供应。正逐渐成为太阳能电池的“继承者”,在航空航天领域展现出巨大的应用潜力。
聚合催化剂的“魔法师”。聚对苯二甲酸乙二酯和聚芳酯等聚酯材料的生产都离不开催化剂的助力,而锗系催化剂,正是其中一类高效且重要的催化剂。锗系催化剂以二氧化锗粉末为主要成分,其在催化合成聚酯过程中展现出了诸多优势,聚酯过程需要的反应条件温和、产生的副反应较少、二氧化锗催化剂不与加入的稳定剂磷酸发生反应、反应产物纯净、透明度较高。
医学上的“药剂师”。锗是人体生命必需的有益元素之一,以有机物的形式存在,能够提供人体细胞的供养能力,对人体具有广泛的防病治病等功效。一些草药或者食物中就富含有机锗,比如人参、灵芝、蘑菇等,有研究表明有机锗可以提高人体血液的含氧量,增强酶活性和细胞的活动,可使缺氧、受损伤的细胞重新恢复它们对体内平衡的控制,机锗还能减少皮肤中不溶性胶原含量,因而具有抗衰老和美容的作用。
锗单晶片:图片来源百度网
04 王“锗”天下 ✦
锗作为一种重要的稀有分散金属,在绝大多数岩石中含量较低,常见于富铜、锌的多金属硫化物矿床和煤矿中,作为共伴生矿种产出,常常富集于六种地质环境:铁陨石和陆生铁镍;硫化物矿床;氧化铁沉积物;含锗硫化物矿床氧化带;伟晶岩、辉长岩、矽卡岩;煤和木质化木材。但在我国西南地区陆续发现的一些分散元素的独立矿床,如牛角塘独立镉矿床、滥木厂和南华独立铊矿床、大水沟独立碲矿床等,打破了之前的传统认识,因此锗矿床分为独立锗矿床和伴生锗矿床两大类。
从全球已经探明锗资源分布来看,美国、中国和俄罗斯是全球锗资源的主要拥有者,各占45%、41%、10%,这种分布格局决定了在锗产业中的重要地位,影响着全球锗市场的供需关系。
中国锗资源储量丰富,分布较为广泛,含锗矿床主要是“铅锌型”和“煤型”。其中内蒙古占中国锗矿储量的65.34%;云南锗占全国储量的9.64%。我国 “煤型”主要分布在云南和内蒙古,如云南临沧锗矿、内蒙古乌兰图嘎和伊敏煤田;“铅锌型”有云南会泽铅+锌矿床、广东凡口铅+锌矿床等。
中国也是全球重要的锗矿产供给国。2019至2022年,世界锗的年产量平均在175 t左右,而中国锗的年产量平均在122 t左右,其中,云南是我国最主要的锗产品生产基地,年产量约占我国年产量的34%,占全球产量的24%。近十年来中国累计供应全球近70%的锗资源。美国、德国、日本是中国的主要出口对象,每年对其三者的出口量超过出口总量的50% 。
但我国面对锗资源的战略保护意识却显得落后,直至2023年7月3日,中国商务部、海关总署发布的《关于对镓、锗相关物项实施出口管制的公告》对镓、锗相关物项实施出口管制。而美国在1984年就将锗作为国防储备资源进行保护,欧盟在2010年也将锗列入成员国极为关注的原材料清单。
目前我国对锗的深加工产业还较为薄弱,出口多为锗的初级产品,然后高价进口具有核心技术的深加工产品,如我国锗的元部件产业在技术和全球市场占有率上还远远落后于美国、日本、韩国等发达国家;并且随着锗的回收技术、锗原料替代品的发展,我国原生锗资源的优势将不再突出,当前通过回收锗可以为全球贡献30% 锗产量。
高纯四氯化锗光纤:图片来源百度网
05 智“锗”无敌 ✦
全球锗资源量相对有限,这一现实促使了众多学者对锗的提取工艺和回收技术进行深入研究和优化改进。这些努力旨在寻找更高效、更环保的锗提取和回收方法,以减少对自然资源的依赖,同时降低对环境的影响。尽管中国拥有锗资源储量优势,但在锗资源开发上还存在资源的浪费以及环境的破坏、在锗的深加工产业还较为薄弱,出口锗的初级产品,高价进口深加工产品,造成低卖高买的情况等问题。这都说明我国在锗等关键金属产业上还与其他发达国家之家存在着一些差距,内部的发展上存在着诸多短板。
锗在战略信息产业和国防军工行业中的潜在价值日益凸显,作为中国一大优势矿产,应当发挥自身的战略价值:一是通过加大科研投入,推动锗深加工技术的创新和突破,我们可以将资源优势转化为市场优势;二是大力发锗废料回收产业,确保锗资源的循环利用,为行业的可持续发展提供有力支撑;三是国家应加强对战略金属的管控力,完善采矿制度,实现有序生产,出台鼓励和扶持深加工产业的政策,逐步发展回收产业,推动锗产业的健康发展,为国家的长远发展和安全稳定贡献力量。(作者:规划中心 赵鑫)
锗基太阳能电池:图片来自百度网