Germánium tények gyerekeknek

Egy darab germánium

A germánium egy kémiai elem. Kémiai jele Ge. Atomszáma 32. Clemens Winkler fedezte fel. Fényes, kemény, ezüstfehér színű metalloid. A germánium kémiai felépítése nagyon hasonlít az ónéhoz. A germánium számos fémorganikus vegyületet alkot. Fontos félvezető anyag, amelyet tranzisztorokban használnak.

Termelés

Renierit

2011-ben világszerte mintegy 118 tonna germániumot állítottak elő, főként Kínában (80 t), Oroszországban (5 t) és az Egyesült Államokban (3 t). A germániumot melléktermékként nyerik ki a szfalerit cinkércekből, ahol akár 0,3%-os mennyiségben is koncentrálódik, különösen az alacsony hőmérsékletű üledékes, masszív Zn-Pb-Cu(-Ba) lelőhelyeken és a karbonátos Zn-Pb lelőhelyeken. Egy nemrégiben készült tanulmány szerint legalább 10 000 t kitermelhető germániumot tartalmaznak az ismert cinkkészletek, különösen a Mississippi-Valley típusú lelőhelyek, míg a szénkészletekben legalább 112 000 t található. 2007-ben a kereslet 35%-át újrahasznosított germániumból fedezték.

Míg elsősorban szfaleritből állítják elő, ezüst-, ólom- és rézércekben is megtalálható. A germánium másik forrása a germániumot tartalmazó szénlelőhelyekből táplált erőművek pernyéje. Oroszország és Kína ezt használta germániumforrásként. Oroszország lelőhelyei a Szahalin-sziget távol-keleti részén és Vlagyivosztoktól északkeletre találhatók. A kínai lelőhelyek főként a jünnani Lincang melletti lignitbányákban találhatók; szenet bányásznak a belső-mongóliai Xilinhaote közelében is.

Alkalmazások

Egy tipikus egymódusú optikai szál. A germánium-oxid a mag szilícium-dioxid adalékanyaga (1. tétel).
1. Mag 8 µm
2. Burkolat 125 µm
3. Puffer 250 µm
4. Köpeny 400 µm

A germánium fő végfelhasználási területei 2007-ben világszerte a következőre becsültek: A germániumot a következő területeken használták: 35% száloptika, 30% infravörös optika, 15% polimerizációs katalizátorok, 15% elektronikai és napelemes alkalmazások. A fennmaradó 5% olyan felhasználási területekre került, mint a foszforok, a kohászat és a kemoterápia.

Optika

A germánium (GeO2) figyelemre méltó tulajdonságai a magas törésmutató és az alacsony optikai diszperzió. Ezek teszik különösen hasznossá széles látószögű fényképezőgépek lencséihez, mikroszkópiához és optikai szálak magrészéhez. A szilícium-dioxid szálak adalékanyagaként felváltotta a titánium-dioxidot, kiküszöbölve az utólagos hőkezelést, amely a szálakat törékennyé tette. 2002 végén az Egyesült Államokban az üvegszáloptikai ipar az éves germániumfelhasználás 60%-át használta fel, de ez a világméretű felhasználás kevesebb mint 10%-át teszi ki. A GeSbTe egy fázisváltó anyag, amelyet optikai tulajdonságai miatt használnak, például az újraírható DVD-kben.

Mivel a germánium az infravörös hullámhosszakon átlátszó, fontos infravörös optikai anyag, amely könnyen vágható és csiszolható lencsékké és ablakokká. Különösen a 8-14 mikronos tartományban működő hőkamerák elülső optikájaként használják a passzív hőképalkotáshoz, valamint a katonai, mobil éjjellátó és tűzoltó alkalmazásokban a forró pontok észlelésére. Használják infravörös spektroszkópokban és más optikai berendezésekben, amelyek rendkívül érzékeny infravörös érzékelőket igényelnek. Nagyon magas törésmutatóval rendelkezik (4,0), és tükröződésgátlóval kell bevonni. Különösen a 2,0 törésmutatójú gyémántszerű szénből (DLC) készült, nagyon kemény, speciális tükröződésgátló bevonat felel meg, és olyan gyémántkemény felületet eredményez, amely sok környezeti igénybevételt kibír.

Elektronika

Napkövetőre szerelt napelemmodulok

A szilícium-germánium ötvözetek a nagy sebességű integrált áramkörök fontos félvezetőanyagává válnak. A Si-SiGe-összeköttetések tulajdonságait kihasználó áramkörök sokkal gyorsabbak lehetnek, mint a csak szilíciumot használó áramkörök. A szilícium-germánium kezdi felváltani a gallium-arzenidet (GaAs) a vezeték nélküli kommunikációs eszközökben. A nagysebességű tulajdonságokkal rendelkező SiGe chipek a szilícium chipipar alacsony költségű, jól bevált gyártási technikáival készíthetők.

A germánium egyik fő felhasználási területe a napelemek. A germánium a nagy hatásfokú, többszörös átmenetű fotovoltaikus cellák ostyáinak szubsztrátja az űrbeli alkalmazásokhoz. A nagy fényerejű LED-ek, amelyeket gépjárművek fényszóróihoz és LCD-képernyők háttérvilágításához használnak, fontos alkalmazás.

Mivel a germánium és a gallium-arzenid nagyon hasonló rácsállandóval rendelkezik, a germánium szubsztrátumok felhasználhatók gallium-arzenid napelemek előállítására. A Mars Exploration Rovers és számos műhold háromszoros átmenetű gallium-arzenid-germánium cellákat használ.

A germánium-szigetelő szubsztrátokat a szilícium potenciális helyettesítőjének tekintik a miniatürizált chipeken. Az elektronikában történő további felhasználások közé tartoznak a foszforok a fénycsövekben és a szilárdtest fénykibocsátó diódákban (LED). A germánium-tranzisztorokat még mindig használják néhány effektpedálban azok a zenészek, akik a korai rock and roll korszak “fuzz”-hangjának jellegzetes hangszínét szeretnék reprodukálni, leginkább a Dallas Arbiter Fuzz Face-ben.

Egyéb felhasználások

PET-palack

A germánium-dioxidot polimerizációs katalizátorokban is használják a polietilén-tereftalát (PET) előállításához. Ennek a poliészternek a nagy fényereje miatt különösen kedvelt a Japánban forgalmazott PET-palackok esetében. Az Egyesült Államokban a germániumot nem használják polimerizációs katalizátorokhoz.

A szilícium-dioxid (SiO2) és a germánium-dioxid (GeO2) közötti hasonlóság miatt egyes gázkromatográfiás oszlopokban a szilícium-dioxid állófázis helyettesíthető GeO2-vel.

A germániumot az utóbbi években egyre gyakrabban használják nemesfémötvözetekben. A sterling ezüstöt tartalmazó ötvözetekben például csökkenti a tűzkőlerakódást, növeli a mattulásállóságot és javítja a kicsapásos keményedést. Az Argentium védjeggyel ellátott, mattulásálló ezüstöt tartalmazó ötvözet 1,2% germániumot tartalmaz.

A nagy tisztaságú egykristályos germániumból készült félvezető detektorok pontosan azonosítják a sugárforrások forrásait – például a repülőtéri biztonsági rendszerekben. A germánium hasznos az egykristályos neutronszórásban és a szinkrotron röntgendiffrakcióban használt sugárvonalak monokromátoraihoz. A neutron- és nagyenergiájú röntgensugaras alkalmazásokban a reflexiós képességnek előnyei vannak a szilíciummal szemben. A nagy tisztaságú germániumkristályokat gamma-spektroszkópiai detektorokban és a sötét anyag keresésében használják. A germánium kristályokat röntgenspektrométerekben is használják a foszfor, a klór és a kén meghatározására.

A germánium a spintronika és a spin-alapú kvantumszámítógépek fontos anyagává válik. A kutatók 2010-ben demonstrálták a szobahőmérsékletű spin transzportot, és nemrégiben kimutatták, hogy a germániumban lévő donor elektronok spinjei nagyon hosszú koherenciaidővel rendelkeznek.

Képek gyerekeknek

• 

  Dmitri Mendelejev

• 

  Clemens Winkler által készített germániumvegyületek mintái, az elem felfedezője