Germani
1. Membres de l'equip
2. Característiques principals
El Germani és un metal·loide sòlid dur, cristal·lí, de color blanc grisenc llustrós, que conserva la brillantor a temperatures ordinàries. Presenta la mateixa estructura cristal·lina que el diamant i resistix als àcids i àlcalis. Forma gran nombre de compostos organometàl·lics i és un important material semiconductor utilitzat en transistors i fotodetectors. A diferència de la majoria de semiconductors, el germani té una petita banda prohibida (band gap) pel que respon de forma eficaç a la radiació infraroja i pot usar-se en amplificadors de baixa intensitat.
3. Aplicacions
Les aplicacions del germani es veuen limitades pel seu elevat cost i en molts casos s'investiga la seua substitució per materials més econòmics.
- Fibra òptica.
Electrònica: Radars i amplificadors de guitarres elèctriques usats per músics nostàlgics del so de la primera època del rock & roll; aliatges \(Si Ge\) en circuits integrats d'alta velocitat.
- Òptica d'infraroigs: Espectroscopis, sistemes de visió nocturna i altres equips.
- Lents, amb alt índex de refracció, d'angle ample i per a microscopis.
- En joieria s'usa l'aliatge Au amb un 12% de germani.
- Com a element enduridor de l'alumini, magnesi i estany.
- A la quimioteràpia.
- El tratraclorur de germani, \(\ce{Ge Cl4}\), s'usa com catalitzador en la síntesi de polímers (PET).
4. Historia del germani, impacte en el paradigma tecnològic.
L’historia del germani, curiosament, comença inclòs abans del seu descobriment com a tal, ja que Mendeleiev (creador de la taula periòdica), va predir en funció de la posició que li pertocaria a la taula, la existència d’un material amb propietats idèntiques al germani. Però, no va ser fins 1886 que l’alemany Clemens Winkler va demostrar de manera consistent l’existència del germani, qüestió que va donar validesa a la taula periòdica al comprovar l’alta similitud entre les propietats imaginades per Mendeleiev i el germani en sí.
Les diferents similituds es poden comprovar en la següent taula:
4.1. Descobriment del mineral
S’ha de dir que el germani, al presentar-se sempre juntament amb altres minerals, la seva poca abundància, i donada la seva similitud física amb altres elements ( com el silici ), va ser un dels elements mes difícils de trobar.
La troba, concretament, va succeir d’aquesta manera. En 1885, en una mina de Sajonia, va ser extret un nou mineral, un tipus de roca platejada a la qual van anomenar argirodita (per la seva similitud de color amb l’argent). Després de descomposar la roca i analitzar-la, van comprovar que el 75% era argent, el segon era el sofre amb un 17% mes la suma de petites quantitats de ferro i mercuri que no sumarien mes del 1% del mineral. Aquests percentatges sumen un 93%, així que un 7% havia desaparegut!
Va ser Clemens Winkler, qui va adonar-se que al utilitzar els mètodes científics de l’època, estaven dissolvent el 7% restant en aigua amb altres sals dissoltes. Winckler va retirar el solut conegut de la dissolució i després d’afegir àcid clorhídric va precipitar-se sal de sofre i altre element, que posteriorment seria batejat com a germani.
4.2. Impacte del mineral en el desenvolupament humà i tecnològic, en clau històrica.
Tal com veurem després, en un major anàlisi de les propietats i usos del germani, aquest mineral es cataloga dintre dels minerals semiconductors. ¿Què vol dir això? Que el germani, al igual que el silici, condueix l’electricitat en una mida moderada.
Aquest fet, ha possibilitat que gracies a l’ús de minerals amb gran contingut en germani es pogués desenvolupar un nivell tecnològic increïble, ja que pràcticament tot aparell electrònic fa us dels semiconductors.
4.3. Auge de l’electrònica, importància dels semiconductors.
Al principi del seu descobriment, però, aquest mineral va ser deixat bastant de banda per la industria o societat en general. El germani, per ser un metall, no era un gran conductor, ni resistent, ni flexible ni posseïa cap propietat que el fes realment únic o útil. No va ser fins al segle XX, quan la semi conductivitat va agafar molta importància i el germani va ser el primer referent en aquest camp, superat anys mes tard per el silici ja que aquest últim material abunda bastant mes i es molt mes fàcil de trobar que el germani.
Aun així, i tenint propietats similars ambdós materials, el germani no necessita un gran grau de puresa per fer una tasca relativa a l’electricitat i en canvi el silici, al ser molt mes sensible, no serveix pràcticament per res si no te una puresa molt alta. Com que llavors ni la industria ni la ciència estava tan avançada com avui, en processos de puresa, era preferible utilitzar el germani, encara sent menys abundant i per tant mes car, que el silici. Avui dia, tal com es pot comprovar en qualsevol aparell electrònic, el silici s’utilitza pràcticament per tot mentre el germani ha quedat reduït a tasques o processos mes selectes o particulars.
Continuant amb la línia històrica, va haver-hi una altra raó que explicava l’auge del germani en aquells anys, i va ser les continues campanyes bèl·liques. Els avanços tecnològics ( com el radar ), eren imprescindibles en una guerra, i l’ús del semiconductors era imprescindible per configurar i construir l’electrònica necessària. Durant uns 20 anys mes després de la última guerra mundial, el germani va seguir sent el pilar essencial dels semiconductors però durant la època dels 60 l’industria ja posseïa la capacitat necessària com per a lograr una puresa del silici suficientment raonable i econòmica com per desbancar totalment al germani com a principal semiconductor. Aquest abaratiment dels semiconductors, per altra part, va acaba de revolucionar l’electrònica i fins els nostres dies el seu creixement ha estat totalment exponencial.
En l’actualitat, l’aleació silici-germani està sent molt estudiada i el germani podria tornar a tenir un lloc important en el panorama electrònic.
4.4. Importància del germani després de ser destronat pel silici com a semiconductor.
Desbancat en el camp de l’electricitat, i amb un futur negre per endavant en la època dels 60-70, es va descobrir que el germani tenia un índex de refracció molt alt, aproximadament de 4, sent així d’una utilitat molt alta en l’òptica d’alta precisió, fibra Óptica, lents..
També es va descobrir que son transparents als infrarojos. De fet, el 30%a aproximament de la seva producció va destinat a aquest camp.
També s’usa en l’actualitat com a catalitzador, per accelerar en la majoria de casos ( també es pot desaccelerar ) reaccions químiques. S’usa sobretot en la producció de polímers termoplàstics. Al haver-hi poca quantitat de germani, la seva utilització en aquests processos
s’explica a que gran quantitat del germani utilitzat en la reacció química no es perd i es reutilitzable.
4.5. El Germani i la Medicina.
El Germani també pot resultar útil en la medicina, ja que diversos compostos del germani posseeixen la característica de ser mortals per a algunes bacteries, però inofensives per als mamífers.
El Dr Asai va descobrir que moltes plantes medicinals, com ara l'all, l'ordi, el xiitake i la clorera tenen concentracions elevades de Germani . L'aigua santa de Lourdes, coneguda pel seu valor terapèutic també conté molt Germani.
En 1967 el Dr Asai va aconseguir sintetitzar un nou compost de germani i va descobrir que la substància manufacturada també tenia capacitats curatives. A aquest producte ara el coneixem com Germani orgànic. Un bé pot preguntar-se com alguna cosa fet per l'home es pot dir orgànic. La raó és que qualsevol cosa que contingui carboni en la seva arquitectura molecular, és orgànica.
El Germani compta amb diverses propietats molt peculiars i extremadament valuoses com les següents:
És un millorador de l'oxigen ja que s'ha demostrat que augmenta el flux d'oxigen a totes les unitats cel•lulars, sobretot en els llocs on hi ha una deficiència.
És un adaptògen perquè normalitza la majoria de les funcions del cos i això s'ajusta a les necessitats específiques de cada un. S'ha vist que en casos d'algunes malalties greus, com el càncer, estimula el sistema immunològic perquè produeixi les substàncies que al seu torn, ajudaran a destruir les cèl•lules malignes. També s'ha notat que el Germani és una espècie d'estimulant cerebral ja que moltes persones experimenten un augment en la capacitat mental. Potser aquest efecte sigui una conseqüència de l'ajuda que produeix el Germani perquè el cos mani més oxigen al cervell. D'altra banda, podem dir que el Germani és un desintoxicant ja que per la seva estructura química tendeix a unir-se i després eliminar certs compostos tòxics i substàncies nocives com els metalls pesats.
Amb tota certesa es pot afirmar que el Germani és un catalitzador immunològic ja que ajuda a convertir els macròfags inactius en cèl•lules 100% actives. El mateix fa en millorar la producció d'interferó i augmenta el nombre de cèl•lules assassines naturals. El Germani orgànic ha estat àmpliament investigat tant per la comunitat científica ortodoxa com pels metges alternatius, trobant efectes terapèutics notables. La versatilitat dels efectes terapèutics del Germani orgànic i la seva virtual no-toxicitat ho fan una substància altament atractiva a qualsevol metge interessat a aconseguir i mantenir una bona salut en els seus pacients.
El Germani orgànic, des de llavors s'ha utilitzat de moltes maneres, amb dieta, com a part d'un programa contra l'estrès i fins i tot com un nutrient contra el càncer. La seguretat del Germani orgànic ha estat ben documentada. Alguns exemples de malalties on s'ha utilitzat són: En l'artritis reumatoide, l'epilèpsia, el càncer, la malaltia de Parkinson, l'osteoporosi, la diabetis, l'asma, la malària, la gastritis, les úlceres duodenals, les malalties mentals, la leucèmia, la malaltia de Raynaud, alguns problemes de la pell, el glaucoma, l'amiloïdosi i moltes altres.
Des de 1987 l'ús del Germani orgànic com un agent en el tractament potencialment prometedor contra la SIDA va ser discutit en una conferència realitzada al Japó (Schuitemaker, GE, Germanium: a mineral of great promise, Orthomoleculair, No 3, 1987). Una altra de les accions del Germani orgànic és que enriqueix el subministrament d'oxigen. La qual cosa vol dir que disminueix el requeriment de consum d'oxigen pels teixits i allarga la vida. Quan hi ha més oxigen accessible, la viscositat de la sang disminueix, per això, el flux sanguini augmenta a tots els òrgans.
El Germani orgànic protegeix contra l'enverinament per monòxid de carboni, és benèfic per tractar moltes malalties dels ulls i en la curació de les ferides, especialment en cremades.
El Germani orgànic té la excel•lent capacitat de captura i descàrrega dels metalls pesants com el mercuri, el cadmi, el plom i altres més. Un altre efecte molt important amb què compta el Germani orgànic és que protegeix contra el dany produït per la radiació en éssers humans, incloent aquells pacients que estan rebent radioteràpia contra el càncer.
El Germani orgànic té un efecte analgèsic. Aquesta acció explica alguns dels efectes col • laterals temporals que de vegades es veuen la prendre grans dosis d'Germani orgànic (més de 1,000 mg al dia) com letargia, marejos, somnolència. L'estimulació de la serotonina que exerceix una acció calmant pot explicar els efectes positius de sentir-se millor i que s'observen consistentment en els pacients que prenen Germani orgànic.
4.6. Obtenció del germani
El germani no s’extreu de minerals específics, sinó que s’obté com a subproducte de la metal·lúrgia del zinc, principalment del l’esfalerita, en què és concentrat en quantitats fins a un 0,3%.
Sobre 118 tones de germani es va produir el 2011 a tot el món, sobretot a la Xina (80 t), Rússia (5 t) i Estats Units (3 t). Les xifres de reserves a tot el món de Ge no estan disponibles, però als EUA s'estima en 450 tones.
Si bé es produeix principalment a partir de l’esfalerita, també es troba en plata, plom, i minerals de coure. Una altra font de germani es troba en les cendres volants de centrals elèctriques que utilitzen carbó amb una gran concentració de germani. Rússia i la Xina van utilitzar això com una font de germani. Els dipòsits de Rússia es troben a l'extrem oriental del país, a l'illa de Sakhalin. Les mines de carbó del nord-est de Vladivostok també s'han utilitzat com a font de germani. Els dipòsits a la Xina es troben principalment en les mines de lignit a prop de Lincang, Yunnan,. També s'usen les mines de carbó prop de Xilinhaote, Inner Mongòlia. En els Estats Units, el germani s’obté en una mina de zinc a Alaska. El germani rodament concentrats van ser exportats a Canadà per al seu processament o directament a clients a Àsia i Europa. Dues refineries a Nova York i Oklahoma produeixen diòxid de germani, germani metall, i tetraclorur de germani a partir de ferralla, deixalles post-consum, i compostos de germani processats. A Espanya s’obté, principalment, en forma d’òxid a les instal·lacions de AZSA a San Juan de Nieva, Astúries.
4.7. Processos de producció del germani
El Germani s’obté inicialment a partir de la lixiviació de deixalles de zinc o cendres de carbó, seguit per precipitació d'un concentrat de germani. Tots els concentrats de Germani es purifiquen utilitzant tècniques similars, independentment de la font dels concentrats. El germani concentrat es tracta amb clor i es destil·la per formar el primer producte utilitzable, tetraclorur de germani, un líquid incolor que s’utilitza principalment com a reactiu en la producció de cable de fibra òptica. El tetraclorur de germani pot ser hidrolitzat per produir diòxid de germani. El diòxid de germani és una pols blanca utilitzada per a la fabricació de certs tipus de lents òptiques i com a catalitzador en la producció de Resina PET. A més, el diòxid de germani pot ser reduït amb hidrogen per produir una pols metàl·lica de germani, que posteriorment es fon i es modela en barres a la primera reducció. Les barres de germani són llavors en zona de refinat (un procés de refinació que implica la fusió i refredament de les barres de germani per aïllar i eliminar les impureses i finalment produir germani molt pur) per produir germani metall de qualitat per l’ús a l’electrònica. D’altra banda, en la zona de refinat del germani, metall es pot cultivar en cristalls i en làmines per al seu ús com semiconductors o refondre en formes adequades per a lents o espais en blanc de finestra en dispositius òptics infrarojos.
Al món, aproximadament el 30% del total de la consumició del germani es produeix a partir de materials reciclats. Durant la fabricació de la majoria dels dispositius òptics, més de 60% del metall germani usat es recicla de forma rutinària com a nova ferralla. Germani ferralla també es pot recuperar dels espais en blanc de finestra, en tancs fora de servei i altres vehicles militars.
4.8. Possibles substituts del germani
El silici pot ser un substitut més barat en aplicacions d'electrònica d'alta freqüència i en algunes aplicacions d'emissió de llum-díodes. El seleniür de zinc pot ser el substitut del vidre de germani en els sistemes d'aplicacions d'infrarojos, però sovint a costa del rendiment i el titani té el potencial de ser un substitut com catalitzador de polimerització.