锗(Germanium)是一种化学元素,化学符号为Ge,在地壳中的储量较少,且分布不均匀,根据目前的估计,全球每吨地壳中约含有1.5至2.5克的锗。1886年,德国化学家温克勒在分析矿物时意外发现,并以德国的拉丁名(germania)命名新元素,符号定为Ge。锗单质是一种灰白色准金属,有光泽,质地较硬,化学性质与锡与硅相近,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。金属锗及其化合物具备良好的半导体性质,在红外光学系统中具有较高的透明度和折射率。据美国地质调查局(USGS)数据显示,锗在光纤通信、红外光学、半导体、太阳能电池、化学催化剂、航空航天和生物医学等领域扮演着重要角色,是一种重要的战略资源。
小金属,大本领
为什么锗在地壳中含量很少,应用领域却非常多呢?这与锗元素的双面特性紧密相关。
锗因为位于元素周期表中金属元素与非金属元素的分界线上,同时具备了金属和非金属的性质。
发现真相的“眼睛”
金属锗相比其他材料具有较宽红外波段、较高的透过率、折射率和低色散,在不同波长红外线上的表现更加理想;同时其环境适应性较好,加工方便、成本较低,是热像仪理想的窗口、透镜和转鼓材料。
锗晶片在红外光学行业的应用范围十分广泛,全球有超过2000万的部队都装备应用了锗晶片的红外成像设备,特别是美国和俄罗斯这样的军事大国,都在红外装备上投入了很多的研发资金。不只是军事上的应用,在安防上锗晶片也有着非常大的市场,比如边境和机场的安检设备等都在加大对锗晶片红外设备的应用。在民用市场也有非常大的应用范围,汽车、消防、医疗等监视设备上都应用了锗晶片。
通信技术的“引擎”
随着5G互联网时代的到来,大家对生活品质提出了更高的要求,信息通信已成为人们生活中的“刚需”,如果说宽带是信息通信的“运输机”,那光纤则是运输机中的“战斗机”,而锗正是战斗机的“引擎”。光纤是被广泛采用的通信导体,目前没有其他产品可以替代。随着全球光纤需求的持续增加,光纤通信市场规模将继续扩大,锗在光纤通信领域中的应用将更加广泛,用于制造/高速通信器件和光纤材料。高纯度四氯化锗是制作光纤预制棒的重要原材料,可以实现光纤零损耗信号传输,提高光传输距离,大幅提高光纤性能。
太空的“卫兵”
随着全球科技水平的不断提升,世界各国航空航天产业竞争已进入白热化,尤其近年来全球人造卫星发射活动、太空站建造愈发频繁,根据美国卫星产业协会SIA统计,2020年全球卫星产业市场规模达到3710亿美元,在轨运行卫星数量10年内增加到3371颗,增长率为252%。随着我国神舟十六号飞船的圆满发射,宣告我国航空航天产业将迎来重要发展机遇期。在此背景下,全球人造卫星和航天器的大量发射为空间站太阳能电池的发展提供广阔的市场空间。
锗基太阳能电池具有空间抗辐射、耐高温、高光电转换效率等特点,很快将取代传统的晶体硅太阳能电池,在人造卫星、太空站和探测器建造等应用领域建立巨大的优势,可有效提高太阳能电池的寿命,进而延长人造卫星和太空站设备的工作寿命,保卫航空航天产业的安全和稳定。
关键的战略地位
锗资源在全球分布相对不均匀,已经探明的储量为8600吨,主要分布在美国、中国和俄罗斯。目前,中国仍然是全球最主要的锗矿出产国,占全球锗产量的50%以上,但由于加工技术和设备的落后,将很多的锗初级产品出口国外,又从国外进口深加工的锗产品,浪费了资源还增加了成本。
美国锗资源储量全球第一,但按照目前每年的开采速度估算,不到40年锗矿资源就将开采殆尽,所以美国很早就对锗矿资源进行了战略储备保护,10年前全部停止了开采。虽然如此,美国依旧将锗矿作为未来极其重要的矿种,现在每年从中国进口大量的锗,目前已成为全球最主要的锗进口国。
不言而喻,随着国际局势的复杂多变,锗在军事、通信和航空航天领域的应用越来越广,可以说是已经到了“得锗者得天下”的地步,其战略意义已变得非常关键和重要。为了确保锗资源的可持续供应,我们要继续加强资源保障,不断创新技术,提高开采效率,并寻找新的锗资源来源。同时,要合理开发利用和回收已使用的锗,减少资源的浪费和环境负担。