戰略物料「四大天王」｜星島教室

我國近期加強對美國軍民兩用物項的出口管制，原則上不再批准鎵、鍺等關鍵晶片材料的出口。鎵、鍺、銻和石墨等物料均屬於戰略物資，廣泛應用於軍事和半導體製造領域。那麼，鎵、鍺、銻和石墨究竟是甚麼？它們有何珍貴之處？今天，我們將從化學角度探討這4種物質及其用途。

鎵

鎵（英語：Gallium），化學符號為Ga，是一種質地柔軟的銀色金屬。有別於其他金屬，鎵的熔點很低，在29.8°C下便會融化成銀白色的液體，因此，鎵可用於製造低熔點合金和半導體基材的摻雜劑。

用途︰手機、通訊及雷達

極純的鎵可用於半導體產業。2007年，應用於電子元件的砷化鎵（GaAs）和氮化鎵（GaN），約佔美國鎵消費量的98%。在美國，大約66%的半導體鎵用於集成電路，主要是砷化鎵，這些應用包括製造超高速邏輯晶片，以及用於手機中的低噪聲微波前置放大器的金屬半導體場效應管。此外，約有20%的半導體鎵則用於光電工程。

鎵的應用範圍廣泛，包括軍備、電動車、手機零件和充電器等。2016年的砷化鎵市場價值達75億美元，其中53%來自手機，27%來自無線通訊，其餘則來自汽車、消費電子、光纖和軍事應用。

現代軍備如隱形戰機和防空導彈需要強大的雷達系統以提升探測能力，而這些雷達通常要求較高的電壓並產生更多熱量，因此耐熱性強且發熱量小的材料更為理想。鎵正是製造主動電子掃描雷達中發射和接收信號裝置的關鍵材料。全球約95%的鎵產量來自中國。

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鍺

鍺（英語：Germanium），化學符號為Ge，是一種灰白色的半金屬，其化學性質與同族的錫與矽相近。

在標準狀況下，鍺是一種銀白色的固體，質地硬但易碎，它的結構與鑽石一樣，都是巨型共價結構，但鍺具有半導體特性，可用於製造電晶體及各種電子裝置。

在標準狀況下，鍺是一種銀白色的半金屬元素，硬度較高但易碎。這種形式構成了一種同素異形體，技術上稱為α鍺，具有金屬光澤，而且其結構與鑽石相似，為鑽石立方晶體結構。

用途︰光纖及紅外系統

直至1930年代末，科學家一直認為鍺只是一種導電性較差的金屬。然而，它的半導體特性對電子元件來說極具價值，因此到1945年，鍺成為一種有利可圖的材料。與鎵類似，鍺在半導體、無線通訊和太陽能電池等領域中扮演着重要角色。

鍺具有高折射率，常用於紅外系統，如熱成像和光譜學，並可應用於軍事設備。

現代光纖通訊網絡、紅外線夜視系統及聚合反應催化劑，對鍺的需求正在迅速增長。

根據2007年的估計，鍺的全球終端應用中，光纖系統佔35%，紅外線光學佔30%，聚合催化劑佔15%，電子和太陽能發電佔15%。剩下的5%則用於其他應用，如磷光體、冶金及化學治療。

事實上，美國政府甚至將鍺定義為戰略和關鍵材料，而中國則主導着全球鍺的生產，其產量佔全球的60%。

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石墨

石墨（英語：Graphite）是碳的其中一款同素異形體，通常產於變質岩中，是煤或碳質岩石（或沉積物）受到區域變質作用或岩漿侵入作用形成。它亦是最軟的礦物之一。「莫氏硬度」為1至2，石墨不透明且觸感油膩，顏色由鐵黑到鋼鐵灰不等。

用途︰化妝品及火箭

石墨在日常生活中有多種用途。首先，它是鉛筆的主要成分，與黏土混合後製成不同硬度的鉛芯，廣泛用於書寫和繪畫。此外，石墨作為鋰離子電池的負極材料，提供良好的導電性和穩定性，是現代電子設備（如手機、筆記本電腦）的重要組件。它的潤滑特性使其成為機械潤滑劑，尤其在高溫環境下非常適合用於潤滑各種機械部件。石墨還因其優良的耐熱性能被用於防火材料和耐火塗料中，提供防火保護。在電子產品中，石墨被用於製造電阻、電容和電池，並可用於導電膏和導電膠。

此外，石墨作為鋼鐵生產中的添加劑，能改善鋼鐵的強度和韌性。石墨也常見於化妝品，如眼影和粉底，因其有良好的顏色和光澤效果；並且可用於水處理和土壤改良等環保應用，幫助去除污染物和改善土壤結構。

這些用途展示了石墨在我們日常生活中的多樣性，無論是在學業、工作還是家庭生活中，它都扮演着重要的角色。

石墨是一種碳的同素異形體，具備導電和抗腐蝕等特性，是火箭和導彈電路板的重要原材料。石墨具有良好的化學穩定性。經過特殊加工的石墨，具有耐腐蝕、導熱性好、滲透率低等特點，可大量用於製作熱交換器、反應槽、凝縮器、燃燒塔、吸收塔、冷卻器、加熱器、篩檢程式、泵設備。廣泛應用於石油化工、濕法冶金、酸堿生產、合成纖維、造紙等工業部門，可節省大量金屬材料。

此外，由於其耐熱性和高純度，石墨亦可用於核反應堆，因而成為極重要的原材料。全球約77%的石墨產量來自中國。

銻

銻（英語：Antimony），化學符號為Sb，是一種有金屬光澤的半金屬，在自然界主要存在於硫化物礦物輝銻礦（Sb2S3）中。銻比其他金屬較軟，「莫氏硬度」為3。因此，純銻不能用於製造硬的物件：中國貴州省曾在1931年發行銻製的硬幣，但銻很易磨損，在流通過程損失嚴重。

用途︰製作合金及炸藥

銻最大用途是與鉛和錫製作合金，以及鉛酸電池中所用的鉛銻合金板。銻與鉛和錫製成合金可用來提升焊接材料、子彈及軸承的性能。

銻廣泛用於軍事，包括炸藥、照明彈、夜視儀和紅外探測器的製造。此外，可用於軍服外層塗覆，以達到防火和減少紅外探測的效果。全球約48%的銻產量來自中國。

以上4種製造現代科技用品不可或缺的材料，將繼續發揮重要作用。

小思考，大智慧

「莫氏硬度」是甚麼？

參考答案

「莫氏硬度」是一種利用礦物的相對刻劃硬度來劃分的礦物硬度標準，1812年由德國礦物學家弗里德里希．莫斯（Friedrich Mohs）提出。「莫氏硬度」標準是將10種常見礦物的硬度，由小至大分為10級，即︰1. 滑石；2. 石膏；3. 方解石；4. 螢石；5. 磷灰石；6. 正長石；7. 石英；8. 黃玉；9. 剛玉；10. 金剛石（鑽石）。

文：裘錦秋中學（屯門）化學科主任容尚君

本欄逢周四刊登，由教育評議會邀請資深中小學老師、校長及大學講師撰稿，旨在為學生提供多元化的STEAM學習材料，引發學生探求知識的興趣，將學習融入生活，培養學生的世界觀、敏銳的觸覺、積極學習的態度。