Германий считается одним из главных элементов технического прогресса – в свое время он стал важнейшим полупроводником. В частности, именно появление транзисторов на основе германия положило конец использованию ламп в радио- и аудиоаппаратуре. Позже германий в транзисторах стал уступать кремнию. Тем не менее «тридцать второй элемент» свои позиции не сдает – исследования приводят к открытию новых областей его применения.
История появления «элемента №32», его перспективы применения, и о том, как сегодня германий добывает одноименная организация в составе холдинга «Швабе» – в нашем материале.
Предсказанный Менделеевым, открытый Винклером
Германий – один из элементов, который был предсказан благодаря Периодической системе. Еще в 1871 году Дмитрий Иванович Менделеев предположил о существовании некого аналога кремния: «Это будет металл, следующий тотчас же за кремнием, и потому назовем его экасилицием». Для «временных» названий элементов Менделеев использовал приставки «эка», «дви» и «три» – от санскритских слов «один», «два» и «три». Это обозначало то, на сколько позиций вниз от уже известного элемента с похожими свойствами находится предсказанный элемент.
Подтвердить догадку Менделеева на практике удалось немецкому химику Клеменсу Винклеру. В 1886 году при анализе редкого минерала аргиродита он впервые выделил новый элемент – предсказанный экасилиций.
Винклер решил поступить патриотично и назвать новый элемент «германием» в честь своей страны. Однако, эта идея была негативно воспринята со стороны некоторых химиков, которые стали обвинять немецкого ученого в присвоении открытия Менделеева, уже давшего элементу имя «экасилиций».
Дмитрий Иванович Менделеев и Клеменс Винклер
Для разрешения ситуации Клеменс Винклер обратился за советом к самому Дмитрию Ивановичу. В своем письме к русскому ученому он писал: «Уведомляю Вас о весьма вероятном триумфе Вашего гениального исследования и свидетельствую Вам свое почтение и глубокое уважение». Менделеев в ответном письме объяснил, что именно первооткрыватель элемента должен дать ему название: «Так как открытие германия является венцом периодической системы, то Вам, как «отцу» германия, принадлежит этот венец; для меня же является ценной моя роль предшественника и то дружеское отношение, которое я встретил у Вас».
С тех пор портрет Клеменса Винклера – в общей рамке «Укрепители периодического закона», наряду с другими химиками-открывателями элементов, предсказанных ранее Менделеевым. Ну, а германий навсегда занял свое законное место в Периодической таблице элементов под номером 32 и химическим символом Ge.
Германий – всюду и нигде
Скорее всего, большинству из нас не приходилось видеть германий. Детали из германия в электронных приборах настолько малы, что их не разглядеть их, даже заглянув внутрь. Однако, можно с уверенностью утверждать, что каждый из землян сталкивается с германием ежесекундно. Основная его масса содержится в почве и морской воде, растениях, даже в чесноке и томатном соке. Как говорят химики, «германий – всюду и нигде».
В общей массе в земной коре германия больше, чем серебра и свинца. Несмотря на это, добывать его трудно – германий очень рассеян. Минералы, в которых германий превышает один процент, это аргиродит (в котором Винклеру и удалось найти Ge), германит, ультрабазит и другие. Сами по себе эти минералы считаются очень редкими. Поэтому способы добычи германия очень сложны.
Полупромышленное производство диоксида германия было начато в США примерно в 1941 году. Тогда же, накануне войны, впервые в СССР была получена чистая двуокись германия. Возобновить исследования элемента №32 и способов его возможного получения удалось лишь после войны, в 1947 году. Это время можно назвать «звездным часом» германия – его стали использовать в качестве полупроводника. В частности, транзисторы на основе германия совершили настоящую революцию в радиоэлектронике.
Германиевый точечный диод в герметичном стеклянном корпусе
Производство германия в промышленных масштабах в нашей стране началось в 1959 году, когда на Медногорском медно-серном комбинате был введен в действие цех переработки пыли. Специалисты комбината разработали уникальную технологию – получение германиевого концентрата из пыли металлургических печей и золы от сжигания угля. Пуск этого цеха относят к крупнейшим внедрениям в цветной металлургии XX века.
Для переработки германиевого концентрата в конечные продукты (чистый германий и его соединения) в 1961 году на Красноярском заводе цветных металлов был создан цех по производству германия. После этого СССР смог полностью отказаться от импорта германия, а в 1970-е годы начать его экспорт и стать мировым лидером в отрасли.
В 1991 году производство в Красноярске было преобразовано в государственное предприятие «Германий». Сегодня АО «Германий» находится под управлением холдинга «Швабе» Госкорпорации Ростех.
Применение: от электроники и оптики до косметики и парфюмерии
В первые годы промышленного производства германий в большей степени рассматривался в качестве компонента полупроводниковой электроники. Но уже в 1986 году доля германия в электронике сократилась до трех процентов – в транзисторах его все больше вытеснял более дешевый кремний.
Однако, в некоторых областях позиции германия оказались достаточно прочны. К примеру, этот элемент является наиболее подходящим материалом для изготовления линз и окон инфракрасных оптических систем. Германий пропускает излучения в интервале 2-16 мкм и имеет высокий коэффициент преломления, что позволяет получать высокую оптическую мощность приборов в диапазоне 8-12 мкм. Именно в этом диапазоне работают системы для обнаружения объектов по их собственному излучению, ⎯ как военного, так и гражданского назначения. При этом максимальная дальность действия таких приборов зависит от диаметра объектива. Из монокристаллов германия изготовляют большие по размеру линзы – диаметром более 250 мм.
Такие кристаллы для Ge-оптики производят немногие компании в мире, в России это – «Германий». Предприятие не приостанавливает научно-исследовательскую работу по этому направлению. К примеру, в результате проведения в последние годы НИР «Германий-400» предприятие имеет возможность выпуска монокристаллов германия диаметром до 400 мм.
Выращивание кристаллов германия. Фото: АО «Германий»
Дальнейшие исследования свойств германия привели к открытию дополнительных областей его применения. После ИК-оптики, волоконная оптика является основным потребителем германия. Сердцевина оптических волокон состоит из SiO2 + GeO2, что обеспечивает низкие потери энергии на важных для телекоммуникации длинах волн.
Германий умеет и «лечить» – германийсодержащие полимеры эффективны при аутоиммунных заболеваниях, а противоопухолевая активность германийорганического соединения 2-карбоксиэтилгермсесквиоксана используется в лечебной практике с 1968 года.
За последние годы германий нашел применение и в не совсем традиционных для себя областях. К примеру, в косметике и парфюмерии – его можно встретить в дезодорантах, кремах и лосьонах. Установлено, что коллоидный германий улучшает циркуляцию крови.
Ну и, пожалуй, самый неожиданный факт – почти половина всего выпускаемого в мире товарного диоксида германия, или 20-30% производимого германия, приходится на пластиковую упаковку для пищевых продуктов. Диоксид германия применяют в качестве компонента катализаторов при изготовлении синтетических волокон и полиэтиленфтолатных смол (PET).
Таким образом, производители германия после упадка интереса к элементу №32, снова «в деле». Сегодня «Германий» выпускает ежегодно около десяти тонн одноименного материала. Больше половины выпускаемой продукции экспортируется, в частности, в такие страны как США, Япония, Корея, Германия, Великобритания и другие.
