Fatti sul germanio per bambini

Un pezzo di germanio

Il germanio è un elemento chimico. Il suo simbolo chimico è Ge. Il suo numero atomico è 32. È stato scoperto da Clemens Winkler. È un metalloide lucido, duro, bianco-argento. La chimica del germanio è abbastanza simile a quella dello stagno. Il germanio forma un gran numero di composti organometallici. È un importante materiale semiconduttore usato nei transistor.

Produzione

Renierite

Circa 118 tonnellate di germanio sono state prodotte nel 2011 nel mondo, principalmente in Cina (80 t), Russia (5 t) e Stati Uniti (3 t). Il germanio viene recuperato come sottoprodotto dai minerali di zinco sfalerite, dove è concentrato in quantità fino allo 0,3%, soprattutto dai depositi massicci Zn-Pb-Cu(-Ba) a bassa temperatura ospitati dai sedimenti e dai depositi Zn-Pb ospitati dai carbonati. Uno studio recente ha trovato che almeno 10.000 t di germanio estraibile sono contenute nelle riserve di zinco conosciute, in particolare quelle ospitate da depositi di tipo Mississippi-Valley, mentre almeno 112.000 t si trovano nelle riserve di carbone. Nel 2007 il 35% della domanda è stata soddisfatta dal germanio riciclato.

Mentre è prodotto principalmente dalla sfalerite, si trova anche nei minerali di argento, piombo e rame. Un’altra fonte di germanio è la cenere volante delle centrali elettriche alimentate da depositi di carbone che contengono germanio. La Russia e la Cina lo usano come fonte di germanio. I depositi della Russia si trovano all’estremo est dell’isola Sakhalin, e a nord-est di Vladivostok. I depositi in Cina si trovano principalmente nelle miniere di lignite vicino a Lincang, Yunnan; il carbone è anche estratto vicino a Xilinhaote, Mongolia interna.

Applicazioni

Una tipica fibra ottica monomodale. L’ossido di germanio è un drogante della silice del nucleo (voce 1).
1. Core 8 µm
2. Cladding 125 µm
3. Buffer 250 µm
4. Jacket 400 µm

I principali usi finali del germanio nel 2007, a livello mondiale, sono stati stimati essere: 35% per le fibre ottiche, 30% per le ottiche a infrarossi, 15% per i catalizzatori di polimerizzazione, e 15% per l’elettronica e le applicazioni elettriche solari. Il restante 5% è andato in usi come fosfori, metallurgia e chemioterapia.

Ottica

Le proprietà notevoli della germania (GeO2) sono il suo alto indice di rifrazione e la sua bassa dispersione ottica. Ciò la rende particolarmente utile per le lenti grandangolari delle macchine fotografiche, la microscopia e la parte centrale delle fibre ottiche. Ha sostituito la titania come drogante per la fibra di silice, eliminando il successivo trattamento termico che rendeva le fibre fragili. Alla fine del 2002, l’industria delle fibre ottiche consumava il 60% dell’uso annuale di germanio negli Stati Uniti, ma questo è meno del 10% del consumo mondiale. GeSbTe è un materiale a cambiamento di fase usato per le sue proprietà ottiche, come quello usato nei DVD riscrivibili.

Perché il germanio è trasparente nelle lunghezze d’onda infrarosse, è un importante materiale ottico infrarosso che può essere facilmente tagliato e lucidato in lenti e finestre. È particolarmente usato come ottica frontale nelle termocamere che lavorano nella gamma da 8 a 14 micron per l’imaging termico passivo e per il rilevamento dei punti caldi nelle applicazioni militari, di visione notturna mobile e antincendio. È usato negli spettroscopi all’infrarosso e in altre apparecchiature ottiche che richiedono rivelatori all’infrarosso estremamente sensibili. Ha un indice di rifrazione molto alto (4.0) e deve essere rivestito con agenti antiriflesso. In particolare, uno speciale rivestimento antiriflesso molto duro di carbonio simile al diamante (DLC), indice di rifrazione 2.0, è un buon abbinamento e produce una superficie dura come il diamante che può sopportare molti abusi ambientali.

Elettronica

Moduli solari montati su inseguitori solari

Le leghe silicio-germanio stanno rapidamente diventando un importante materiale semiconduttore per circuiti integrati ad alta velocità. I circuiti che utilizzano le proprietà delle giunzioni Si-SiGe possono essere molto più veloci di quelli che usano il solo silicio. Il silicio-germanio sta cominciando a sostituire l’arseniuro di gallio (GaAs) nei dispositivi di comunicazione wireless. I chip SiGe, con proprietà ad alta velocità, possono essere fatti con tecniche di produzione a basso costo e ben consolidate dell’industria dei chip di silicio.

I pannelli solari sono un uso importante del germanio. Il germanio è il substrato dei wafer per celle fotovoltaiche multigiunzione ad alta efficienza per applicazioni spaziali. I LED ad alta luminosità, usati per i fari delle automobili e per retroilluminare gli schermi LCD, sono un’applicazione importante.

Perché il germanio e l’arseniuro di gallio hanno costanti di reticolo molto simili, i substrati di germanio possono essere usati per fare celle solari di arseniuro di gallio. I Mars Exploration Rovers e diversi satelliti usano arseniuro di gallio a tripla giunzione su celle di germanio.

I substrati di germanio su isolante sono visti come un potenziale sostituto del silicio su chip miniaturizzati. Altri usi nell’elettronica includono i fosfori nelle lampade fluorescenti e i diodi emettitori di luce a stato solido (LED). I transistor al germanio sono ancora utilizzati in alcuni pedali di effetti dai musicisti che desiderano riprodurre il carattere tonale distintivo del “fuzz” dei primi tempi del rock and roll, in particolare il Dallas Arbiter Fuzz Face.

Altri usi

Una bottiglia di PET

Il biossido di germanio è anche usato nei catalizzatori per la polimerizzazione nella produzione del polietilene tereftalato (PET). L’alta brillantezza di questo poliestere è particolarmente favorita per le bottiglie PET commercializzate in Giappone. Negli Stati Uniti, il germanio non è usato per i catalizzatori di polimerizzazione.

A causa della somiglianza tra la silice (SiO2) e il biossido di germanio (GeO2), la fase stazionaria di silice in alcune colonne di gascromatografia può essere sostituita da GeO2.

Negli ultimi anni il germanio ha visto un uso crescente nelle leghe di metalli preziosi. Nelle leghe di argento sterling, per esempio, riduce il fuoco, aumenta la resistenza all’appannamento e migliora l’indurimento per precipitazione. Una lega d’argento a prova di appannamento, chiamata Argentium, contiene l’1,2% di germanio.

I rivelatori di semiconduttori fatti di germanio a cristallo singolo ad alta purezza possono identificare con precisione le fonti di radiazione, per esempio nella sicurezza degli aeroporti. Il germanio è utile per i monocromatori per le linee di fascio usate nella diffusione di neutroni a cristallo singolo e nella diffrazione di raggi X di sincrotrone. La riflettività ha dei vantaggi rispetto al silicio nelle applicazioni con neutroni e raggi X ad alta energia. I cristalli di germanio ad alta purezza sono usati nei rivelatori per la spettroscopia gamma e la ricerca della materia oscura. I cristalli di germanio sono anche usati negli spettrometri a raggi X per la determinazione di fosforo, cloro e zolfo.

Il germanio sta emergendo come un materiale importante per la spintronica e le applicazioni di calcolo quantistico basate sullo spin. Nel 2010, i ricercatori hanno dimostrato il trasporto di spin a temperatura ambiente e più recentemente è stato dimostrato che gli spin di elettroni donatori nel germanio hanno tempi di coerenza molto lunghi.

Immagini per bambini

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  Dmitri Mendeleev

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  Campioni di composti di germanio preparati da Clemens Winkler, scopritore dell’elemento