Ученый, открывший этот химический элемент, был патриотом своей страны, но сослужил ей не слишком добрую службу. Германий должен был стать "послом" Германии в таблице Менделеева. Но в Германии препараты с ним запрещены.

История химического элемента, если это не золото или серебро, казалось бы, вряд ли может вызвать широкий интерес. Особенно если речь идет об элементе, о существовании которого мало кто слышал. "Люди гибнут за металл!" Но кто будет гибнуть за германий? А между тем, это вещество, открытое 6 февраля 1886 года, должно было увековечить и прославить Германию в таблице Менделеева.

Элегантный галлий

Очередная эпоха открытий в химии пришлась на конец девятнадцатого века, когда Менделеев создал свою знаменитую периодическую таблицу химических элементов, и химики-практики искали (и находили) в природе вещества, которые российский ученый отчасти уже открыл за письменным столом. И, конечно, каждому элементу надо было дать название.

Так, в 1875 году француз Лекок де Буабодран, перелопатив сотни тонн руды, получил один грамм нового серебристого металла, который назвал галлием. Вроде бы патриотично, ведь "Галлия" - это латинское название Франции. С другой стороны, некоторые историки уверяют, что французский химик тем самым увековечил на самом деле свое собственное имя: "lecoq" означает "петух" на французском, а на латыни - "gallus". Вышло по-французски изящно: патриотизм, но не совсем, легкое баловство прославленного химика.

Судьба галлия сложилась вполне счастливо: он пользуется спросом. Это дорогой (более миллиона долларов за тонну) и чрезвычайно нужный в промышленности металл. Иная судьба выпала германию.

Всюду и нигде

В 1886 году немецкий химик Клеменс Винклер (ClemensWinkler), исследуя минерал аргиродит, обнаружил, что он на 7 процентов состоит из незнакомого ему вещества. Оказалось, что загадочные 7 процентов - это неизвестный доселе элемент таблицы Менделеева.

После некоторых раздумий Винклер - по аналогии с "галлием" - назвал вещество "германием". По-немецки это звучит очень пафосно: "Germanium". К сожалению, нельзя сказать, что элемент германий прославил страну, давшую ей название. Сегодня у этого вещества своеобразная, едва ли не скандальная репутация. Виной тому некоторые его особенности.

Несмотря на то, что в земной коре германия больше, чем серебра и свинца, добывать его трудно и дорого. Германий очень рассеян. Основная его масса содержится в почве, в угле, в живых организмах, растениях... В ничтожном количестве он есть в чесноке и томатном соке. Как написано в старом учебнике химии, "германий всюду - и нигде".

Так что даже если бы Бисмарк или кайзер Вильгельм задумали в пропагандистских целях выковать из германия какой-нибудь меч или броненосец - результат был бы плачевный. И дорого, и врагов не поразишь. Вообще увидеть германий, так сказать, в чистом виде чрезвычайно трудно, даже если, как говорится в том же учебнике, "разломать корпус полупопроводникового прибора, в котором находится германиевая начинка".

В Германии вне закона

"Звездный час" германия пробил в конце сороковых годов прошлого века, когда его стали использовать в качестве полупроводника. В частности, именно появление транзисторов на основе германия положило конец использованию ламп в радио- и аудиоаппаратуре, а вместе с тем и "теплому ламповому звуку", о котором до сих пор грезят меломаны. Впрочем, не прошло и двух десятилетий, как спрос на германий упал: в транзисторах его все больше вытеснял более дешевый кремний. Теперь аудиофилы тоскуют по "теплому германиевому звуку".

Таблетки германия стоят не менее сотни евро

Германий вновь стал востребован в семидесятых-восьмидесятых годах, когда японский исследователь Казухико Асаи, синтезировав так называемый "органический германий", решил использовать его для самолечения - с удивительными, по его словам, результатами. Германий он советовал применять внутрь - в таблетках. Сегодня последователи японца представляют собой внушительную группу энтузиастов, которые считают, что лекарства из германия укрепляют иммунную систему и, помимо прочего, спасают от рака.

Ирония судьбы заключается в том, что лечебные свойства германия в Германии официально не признаны. Даже наоборот: его считают вредным для здоровья веществом. Так что страждущим "германцам" приходится заказывать таблетки за рубежом и чуть ли не контрабандой ввозить их в страну. При этом цена небольшой пачки таблеток может достигать нескольких сот евро, а за какой-нибудь пластырь для ног с германием придется заплатить более пятидесяти.

В России в конце 2011 года компания «Германий и приложения» запустила новое высокотехнологическое производство электронно-оптических компонентов в Новомосковске (Тульская область). Предприятие входит в комплекс по производству полупроводникового германия и изделий из него.

Основная продукция нового производства — плоские заготовки из германия — диски, бруски и пластины, в том числе тонкие, а также сферизованные заготовки для линз. Диагональ прямоугольных заготовок составляет от 6 до 300 мм, диаметр круглых — до 300 мм, диаметр линз — до 200 мм. В 2012–2013 г. ассортимент планируется дополнить оптическими окнами, призмами, линзами и подложками. Объем выпускаемой продукции планируется на уровне 3–4 тонн в год. К 2013 г его планируется увечить до 6 тонн.

Германий и его соединения находят применение в высокотехнологических областях техники, медицины и промышленности. Оптика из германия используется в приборах ночного видения. Германий также используется в датчиках излучений. Из него изготавливаются подложки для фотоэлектрических преобразователей, применяемых в солнечных батареях (прежде всего, космического базирования). В светотехнике германий используется как реагент для производства люминофоров, в химической промышленности — как катализатор, в металлургии применяется для изготовления специальных сплавов, в медицине — в составе биоактивных добавок и противораковых препаратов. На использовании германия основываются многие нанотехнологические решения.

Ключевые свойства изделий из германия, такие как оптические характеристики и механическая прочность определяются наноразмерными покрытиями, составляющими ноу-хау производства.

Производство оснащено уникальными измерительными средствами и другим современным оборудованием, в частности станками с ЧПУ для резки и сферизации заготовок. В ближайшее время к имеющемуся парку станков добавится оборудование для тонкой шлифовки и полировки оптических элементов и подложек. На производстве будут также установлены высокопроизводительные печи Чохральского для выращивания монокристаллов германия.

Новомосковское производство германия и изделий из него является частью масштабного производственного комплекса ООО «Германий и приложения», расширяемого в рамках совместного проекта с РОСНАНО. В Приморском крае на участке угольного разреза ведется добыча германийсодержащего угля. В нескольких километрах от месторождения находится расширяемое и модернизируемое производство германиевого концентрата. Открываемое в Новомосковске производство электронно-оптических компонентов технологически увязано с химическим производством, на котором германий восстанавливается из материалов, образующихся при производстве заготовок и изделий.

Технологическая справка

Германиевые заготовки — изготовленные из поли- или монокристаллического германия пластины, призмы, цилиндры, тела вращения с генерированной поверхностью, которые, после дополнительной обработки, могут быть использованы как оптические или электронные компоненты различных устройств. Заготовки могут иметь особенности: определённые фаски, линейный или нелинейный контур, отверстия и т.п.

В зависимости от назначения, для производства заготовок выбирается германий, имеющий P- или N- тип проводимости, определенным образом легированный и обладающий соответствующим удельным электрическим сопротивлением. Монокристаллический германий имеет определённую ориентацию.

Пропускание в диапазоне длин волн 3–10 мкм не менее 46% (для отполированного образца 10 мм толщины).

Дополнительная обработка, как правило, заключается в шлифовке и полировке поверхностей заготовки, а также в нанесении на эти поверхности специальных покрытий. Изделия — это оптические окна, линзы, подложки и т.д.

Окна и призмы из германия. Окна используются для защиты и изоляции системы от внешнего воздействия. Германиевые окна обеспечивают проникновение в систему только излучения ИК-диапазона. Возможно изготовление заготовок для плоско-параллельных, клиновидных окон и окон Брюстера с различными особенностями. Толщина окон обычно больше 2 мм.

Пластины и подложки. Германиевые пластины — основа для производства различных подложек для разнообразных применений в солнечных батареях и в электронике. Толщина изготавливаемых пластин находится, обычно, в интервале 0,15 — 2 мм.

Линзы, купола и гипер- полусферы. Германиевые линзы — сферические и асферические — используются в различных оптических системах, работающих в ИК-диапазоне.

Возможно изготовление заготовок для плоско-выпуклых, плоско-вогнутых, двояко-выпуклых, двояко-вогнутых, выпукло-вогнутых линз, асферических линз, куполов и гипер- полусфер.

Заготовки из селенида цинка. Селенид цинка используется для изготовления оптических элементов: окон, линз, зеркал, призм, светоделителей и т.п. с очень низким коэффициентом поглощения в среднем инфракрасном диапазоне, например, в углекислотных лазерах и в широкополосных спектральных приборах, работающих в диапазоне от 0.6 до 19 микрон. Он также подходит для изготовления изображающей оптики.

Вследствие большей ширины запрещенной зоны, чем у германия, компоненты из селенида цинка могут использоваться при более высоких температурах (до 2000С против 500С).

Поликристаллический селенид цинка выращивается методом химического осаждения из газовой фазы (CVD — Сhemical Vapor Deposition) и имеет однородную структуру.

Германий, используемый для производства заготовок, это поли- или монокристаллический материал, свойства которого задаются при его производстве из т.н. ГПЗ (германия поликристаллического зонноочищенного). ГПЗ — стандартный материал, получаемый в результате химической переработки германиевого сырья и очистки слитка металлического германия до 99,9999%.

Монокристаллы германия требуемой ориентации выращивают из ГПЗ, который легируется тем или иным химическим элементом для задания определённого типа проводимости и придания монокристаллу других нужных свойств.

Основой получения поликристаллического материала, используемого, также как монокристаллы, в производстве заготовок, является ГПЗ, легированный, в зависимости от назначения, определённым элементом.

В ряде применений используется германий в виде порошка, гранул или кусочков германия. Гранулы и кусочки германия удобно использовать при нанесении покрытий на оптические компоненты. Порошок применяется как легирующая добавка.

Химические соединения германия. Основные химические соединения германия, имеющие разнообразное применение, — диоксид и тетрахлорид германия. Известны другие соединения, например, используемые в качестве медицинских препаратов, биодобавок, средств парфюмерии и косметики органические соединения германия. Германаты находят применение в светотехнике (люминофоры), есть и другие, менее распространённые применения.

Германиевое сырье и переработка отходов. Основным сырьём для производства германия и его химических соединений является германиевый концентрат — продукт специальной переработки германийсодержащего угля. Также в производстве германия используются порошки и суспензии, образующиеся при шлифовке и полировке германиевых заготовок и изделий, германиевый лом и содержащие германий отходы других производств. Вторичное использование германия играет большую роль в общем балансе производства и потребления этого дорогостоящего материала.

Автор: Дмитрий Вачедин
Редактор: Ефим Шуман