کاربردهای ژرمانیوم

ژرمانیوم یک عنصر شیمیایی با نماد Ge و عدد اتمی 32 است. در جدول تناوبی در دوره 4 و در گروه 4 اصلی قرار دارد. این عنصر در تاریخ 6 فوریه 1886 اولین بار در معدن آرژیرودیت در کشور آلمان شناسایی شد. این عنصر در سراسر کره زمین وجود دارد، اما فقط در غلظتهای بسیار کم وجود دارد. مقدار کلارک (= میزان متوسط ​​در پوسته زمین) این عنصر، 1.5 گرم در تن می باشد. در طبیعت، معمولاً به صورت سولفید (تیو ژرمانات) وجود دارد و اغلب به عنوان یک عنصر همراه در سنگ معدن مس و روی (شیل مس مانسفلد) یافت می شود. مهمترین کانی های آن آرژیرودیت، کانفیلدیت، ژرمنیت و رنیریت هستند.

خواص عنصر ژرمانیوم

Ga در جدول تناوبی در سری عناصر نیمه فلزی قرار دارد، اما طبق تعریف اخیر به عنوان نیمه هادی طبقه بندی می شود. Ge عنصری بسیار شکننده است و در دمای اتاق بسیار پایدار می باشد. این عنصر تنها پس از بازپخت شدید در اتمسفر اکسیژن به اکسید ژرمانیوم (GeO2) تبدیل می شود. GeO2 دو شکل دارد و در دمای 1033 درجه سانتیگراد با تغییر جهت گیری (CN = 6) به ساختار ß- کوارتز (CN = 4) تبدیل می شود. این عنصر به صورت پودری، یک جامد قابل اشتعال است و می تواند به راحتی با قرار گیری کوتاه مدت در معرض منبع احتراق مشتعل شود. با اینکه Ge خطر اشتعال بالایی دارد اما به شکل فشرده قابل اشتعال نیست.

ژرمانیوم عنصری، در حالتهای دو ظرفیتی و چهار ظرفیتی وجود دارد و ترکیبات Ge چهار ظرفیتی (IV) پایداری بالاتری دارند. با توجه به موقعیت آن در جدول تناوبی، خواص شیمیایی Ge بین سیلیکون و قلع قرار می گیرد. Ge یکی از معدود موادی است که دارای خاصیت ناهنجاری چگالی است. شاید برای شما جالب باشد که چگالی این عنصر در حالت جامد کمتر از حالت مایع است.

دانستنیها و موارد استفاده از ژرمانیوم

عنصر ژرمانیوم موارد استفاده گوناگونی در انواع صنایع دارد. در ادامه به بررسی کاربردهای این عنصر در صنایع مختلف خواهیم پرداخت.

استفاده از خاصیت الکترونیکی ژرمانیوم

برای تولید اولین دیودهای ژرمانیومی و ترانزیستورهای دوقطبی موجود در بازار این عنصر با سیلیکون جایگزین شد. امروزه کاربردهایی از Ge در فناوری فرکانس بالا (به عنوان مثال نیمه هادی های ترکیبی سیلیکون – ژرمانیوم) و فناوری آشکارساز (به عنوان مثال به عنوان آشکارساز اشعه ایکس) یافت می شود. سلولهای خورشیدی آرسنید گالیم (GaAs) گاهی اوقات از ویفر Ge ساخته می شوند. ثابت شبکه Ge بسیار شبیه به آرسنید گالیم است، از این رو GaAs به صورت همپای روی تک بلورهای Ge رشد می کند.

ژرمانیوم در شیشه و الیاف

دومین کاربرد اصلی ژرمانیوم تولید شیشه های کالکوژنید است. این شیشه ها از Ge پلی کریستالی یا تک کریستالی ساخته می شوند. موارد کاربرد آنها شامل ساخت دستگاه های دید در شب نظامی و غیرنظامی و همچنین دوربینهای تصویربرداری حرارتی است. کاربردهای مهم دیگر شیشه های کالکوژنید شامل تولید فیبرهای نوری و الیاف پلی استر می شود. در الیاف شیشه ای مخابراتی مدرن، تتراکلرید ژرمانیوم در رسوب شیمیایی بخار برای ایجاد تجمع دی اکسید ژرمانیوم در هسته داخلی فیبر استفاده می شود. این موضوع منجر به ضریب شکست بالاتری در هسته نسبت به روکش فیبر می شود و در نتیجه امواج نور را هدایت می کند. در شیمی پلی استر، دی اکسید ژرمانیوم به عنوان کاتالیزور در تولید الیاف پلی استر و دانه بندی های خاص آن، به ویژه برای تولید بطری های PET (پلی اتیلن ترفتالات) قابل بازیافت استفاده می شود.

ژرمانیوم در مکملهای غذایی

ماده بی کربوکسی اتیل ژرمانیوم به عنوان یک مکمل غذایی در درمان تعدادی از بیماریها از جمله سرطان، سندرم خستگی مزمن، نقص ایمنی، ایدز، فشار خون بالا، آرتریت و آلرژیهای غذایی مورد استفاده قرار می گیرد. اثرات مثبت این مکمل غذایی بر روند بیماری هنوز از نظر علمی ثابت نشده است. طبق دستورالعمل اتحادیه اروپا 2002 / 46 / EC در تقریب قوانین کشورهای عضو در مورد مکملهای غذایی، ژرمانیوم نباید در مکملهای غذایی استفاده شود. در بسیاری از کشورهای اتحادیه اروپا که قبلا قوانین ملی خود را ثبت کرده اند، از جمله آلمان و اتریش، افزودن Ge در مکملهای غذایی مجاز نیست.

استفاده دارویی از ژرمانیوم

اثر درمانی ماده ضد نئوپلاستیک اسپیرو ژرمانیوم در مورد سرطان ثابت نشده است. هیچ دارویی را نمی شناسیم که با ماده فعال اسپیرو ژرمانیوم تکمیل شود و نتیجه درمانی آن را بدانیم. در کشور آلمان، فرآورده های دارویی حاوی این عنصر قابل اعتراض و شکایت در نظر گرفته می شوند. از این رو تولید و تحویل آنها به بیماران ممنوع است. در مورد استفاده های دارویی از Ge، همچنین در برخی از کشورها از ژرمانیوم متالیک به شکل داروی هومیوپاتی استفاده می شود.

فیزیولوژی

ژرمانیوم و ترکیبات آن سمیت نسبتاً کمی دارند. درصدهای بسیار کمی از Ge در برخی از غذاها موجود است: لوبیا، آب گوجه فرنگی، صدف، ماهی تن و سیر. با این حال هیچ عملکرد بیولوژیکی شناخته شده ای برای Ge وجود ندارد. تأثیر احتمالی این عنصر بر متابولیسم کربوهیدراتها مورد بحث می باشد اما هیچ بیماری ناشی از کمبود Ge در بدن شناخته شده نیست.

سمیت ژرمانیوم

در گذشته، مسمومیت با ژرمانیوم در انسان تنها پس از مصرف ترکیبات معدنی آن به عنوان یک مکمل غذایی رخ می داد. اولین علائم آن کاهش اشتها، کاهش وزن، خستگی و ضعف عضلانی است. به دنبال این علائم اختلال درعملکرد کلیه تا نارسایی کلیوی ایجاد می شود که می تواند برای بیمار کشنده باشد. نوروپاتی محیطی نیز به عنوان پیامد این بیماری وجود دارد. عوارض جانبی نوروتوکسین هنگام مصرف اسپیرو ژرمانیوم در آزمایشات بالینی وجود دارد. از آزمایشات حیوانی مشخص شد که Ge دارای سمیت حاد خوراکی است. علائم مسمومیت حاد با دوزهای زیاد ترکیبات Ge عبارتند از:

• اتساع عروق خونی (آتلکتازی)
• پتوز
• سیانوز
• لرزش

در نهایت، فلج تنفسی منجر به مرگ حیوانات مورد آزمایش می شود. علائم مسمومیت مزمن با ترکیبات معدنی ژرمانیوم عبارتند از:

• ایجاد توده اندامی
• نوروپاتی پیشرونده
• آسیب کلیه

ترکیبات آلی ژرمانیوم سمیت کمتری را نشان می دهند، اما با این حال این ترکیبات نیز منجر به کاهش وزن حیوانات مورد آزمایش و کاهش تعداد گلبولهای قرمز خون آنها شدند. اطلاعات محدودی در مورد اثرات تراتوژنیک ژرمانیوم وجود دارد. مکانیسم سمیت Ge هنوز به طور کامل شناخته نشده است. با این حال، این عنصر اثرات پاتولوژیک خاصی بر روی میتوکندری کلیه و سلولهای عصبی می گذارد.

سوالات متداول کاربردهای ژرمانیوم

1- آیا ژرمانیوم در درمان HIV یا ایدز موثر است؟

خیر، هیچ مدرکی علمی در مورد اثر درمانی Ge در درمان ایدز یا HIV ارائه نشده است.

2- مزایای تراشه های سیلیسم – ژرمانیومی نسبت به تراشه های سیلیسم چیست؟

مدارهایی که از تراشه های سیلیسم – ژرمانیومی استفاده می کنند، بسیار پرسرعت تر از مدارهای دارای تراشه سیلیسم هستند. علاوه بر این قیمت این تراشه ها نیز نسبت تراشه های سیلیسم کمتر است.

3- کاربرد ژرمانیوم در شیمی پلیمر چیست؟

در شیمی پلیمر، Ge به منظور تهیه کاتالیزور در پروسه تولید برخی پلیمرهای پرکاربرد چون PET (پلی اتیلن ترفتالات) کاربرد دارد.

4- چرا گفته می شود که Ge در دسته متالوئیدها قرار دارد؟

 زیرا این عنصر همچون آرسنیک، سیلیسیم، تلوریم و … در دسته متالوئیدها قرار می گیرد. عناصر متالوئید عناصری هستند که شباهت زیادی به فلزات دارند اما در آنها تا حدودی خاصیت نافلزی نیزوجود دارد.

5- فراوان ترین ایزوتوپ ژرمانیوم کدام است؟

Ge76 فراوان ترین ایزوتوپ این عنصر می باشد.