Самый тяжелый металл для легких дисплеев: краткая история осмия
Мы продолжаем рассказывать о различных металлах, истории их открытия, применении и, разумеется, патентом аспекте. На этот раз речь пойдет об осмии, представителе платиноидов. В природе осмий встречается в виде семи изотопов, шесть из которых стабильны: 184Os, 187Os, 188Os, 189Os, 190Os и самый плотный 192Os. Элемент обладает химической валентностью от 0 до +8.
Осмий является самым плотным металлом на Земле: его удельный вес 22,61 грамма на кубический сантиметр, но любим мы его не только за это.
Осмий самый твердый из платиновых металлов. По Моосу, его твердость принята равной 7. При этом он отличается высокой хрупкостью. Осмий является наиболее тугоплавким из всех платиновых металлов, температура плавления его, по разным источникам, определяется в 2700–3500 °С., а температура кипения в 5000–5500 °С.
С химической точки зрения, хотя в компактном виде осмий инертен к действию многих реагентов, в порошковом виде он окисляется уже при комнатной температуре кислородом воздуха. Способность легко окисляться с образованием летучего тетраоксида, обладающего резким запахом, нашла отражение даже в самом названии элемента (ὀσμή|, что по-гречески означает запах).
История открытия
Осмий был открыт Смитсоном Теннантом в 1804 г. при исследовании им нерастворимой в царской водке части сырой платины, являющейся, как это было выяснено позднее, сплавом осмия с иридием — осмиридием (Osmiridium). Предшественником Теннанта в изучении этого сплава был Ипполит-Виктор Колле-Дескотиль, подозревавший существование в нем нового металла, стойкого по отношению к царской водке и обнаруживающегося, в частности, по черному дыму, образующемуся при растворении сплава в царской водке.
Практически одновременно с ним в 1803–1804 гг. французские химики Антуан де Фуркруа и Луи-Николя Воклен, наблюдавшие выделение черного дыма при растворении платины в царской водке, пришли к заключению, что в нерастворимом остатке присутствует новый металл. Они дали ему название птен (πτηνός — от греч. крылатый). Но данное название не прижилось. И все мы называем данный платиноид осмием.
Потребление осмия
Осмий имеет несколько нишевых сфер применения:
Технологические катализаторы для производства определенных химических веществ, причем оксид OsO4 применяется качестве гомогенного катализатора, а металлический осмий в гетерогенных катализаторах, например в метанольных топливных элементах;
Легирующая добавка в сверхтвердых сплавах, обладающих высокой износостойкостью. Сплав осмия с вольфрамом, известный как «osram», используется в изготовлении нитей для ламп накаливания. Сплав осмия и платины необходим при изготовлении кардиостимуляторов и других хирургических имплантатах;
Тетраоксид осмия используется в качестве красителя для микроскопии;
Нерадиогенный осмий использовался в большом объеме в гистологии в целях борьбы с онкологией;
Присадки осмия исследуются в микроэлектронике, в частности в светоизлучательных устройствах.
Особое место принадлежит изотопу осмий-187, который используется для калибровки спектрометров особой точности. Казахстан в лице Республиканского государственного предприятия на праве хозяйственного ведения «Жезказганредмет» Комитета индустриального развития Министерства индустрии и инфраструктурного развития РК является единственным в мире экспортером осмия-187. Данное предприятие производит перренат аммония, рениевую кислоту, металлический рений в виде порошка, штапиков, таблетировании и изотоп осмия-187. Вся продукция поставляется на экспорт в страны СНГ и дальнего зарубежья.
«Институт осмия» в Германии (Osmium-Institut zur Inverkehrbringung und Zertifizierung für Osmium GmbH) делает упор на ювелирку и инвестиции. А вот индикативная цена на осмий — с 1 марта 2023 по 1 марта 2024 она плавно росла с 1200 до 1350 евро за грамм (ежесуточный график см. тут).
Добыча из недр
Источников осмия в природе 2:
1) комплексные руды металлов платиновой группы со всем естественным спектром изотопов, при этом осмий обычно присутствует в виде сульфида, природного интерметаллического соединения (осмистого иридия), или в самородном виде. В настоящее время более 95% мировой добычи платиновых металлов в мире приходится на сульфидные руды уникальных Бушвельдского (ЮАР) и Норильского месторождения (Россия), среди остальных 5% доминируют россыпи. Общие мировые ресурсы в недрах оцениваются в 450 тонн.
2) ренийсодержащие молибденовые руды с накопленным изотопом осмий-187 (джезгазганит, открытый в 1961 году, от казахского местечка Жезказган). В этом случае говорят, что осмий-радиогенный изотоп. Что это значит? В месторождении идет радиоактивный распад рения (период полураспада ~1024 лет), и в результате накапливается осмий, который можно извлекать попутно.
Интересный факт: Осмий-рениевый метод используется для определения возраста пород — альтернатива углеродному методу
Выделение осмия как отдельного продукта осуществляется с конца 1970-х, когда добыча осмия составляла десятки килограммов в год. К концу 1990-х добыча осмия возросла до сотен килограммов в год. Сегодня в мире добывается из недр порядка 100 килограммов осмия в год, но точные данные не публикуются.
Осмий в России добывает из недр ПАО «ГМК «Норильский Никель» в смеси с другими платиноидами. Осмиевые концентраты потом поставляются на Приокский завод цветных металлов, где производят порошок по ГОСТ 12339–2016.
Патентный аспект
На портале Google.Patents указано 100000 документов по слову Osmium. Среди патентообладателей нет лидеров, патенты распылены по сотням промышленных компаний. Рейтинг патентообладателей:
Abbott Diabetes Care Inc. — 5%;
California Institute Of Technology — 2%;
Semiconductor Energy Lab (半導體能源研究所股份有限公司) — 2%;
General Electric Company — 1%;
Heraeus Quarzglas Gmbh & Co. Kg — 1%.
Как видите, на первом, втором и четвертом местах расположились американские компании и организации. На третьем фирма патентного короля Японии Ямадзаки Сюмпэя. Ему мы уже посвятили отдельный материал на Хабре. А пятерку занимает немецкое предприятие с более чем вековой историей, специализирующееся на цветных металлах.
Много патентов посвящено физическим и химическим процессам с осмием (B01J — 17%), сплавам полупроводниковых приборов (H01L — 15%), ациклическим и карбоциклическим соединениям (C07C — 11%), исследованию или анализу материалов путем определения их химических или физических свойств (G01N — 11%), технологиям смягчения последствий изменения климата (Y02P — 10%).
При этом в мировых патентах в последних лет лидировала органика для получения твердотельных микроэлектронных устройств (H10K). Примерами являются светоизлучающие элементы и устройства на основе металлоорганических, в частности полициклических, амидных соединений: KR20230127392A; KR20230139909A; KR20230112786A; US20230380258A.
В 2023 г. самой популярной темой была защита климата в разных технологических процессах, например биологическая очистка (код МПК — Y02P). Примерами являются осмий-органика (CN115960142A), литий-ионные батареи (CN117317138A), рециклинг благородных металлов, в том числе осмия, из промышленных стоков (CN116622995A).
Мы составили график патентования микроэлектронных устройств (H10K) за 2004–2024 гг. (рисунок 1).
Рисунок 1: Количество патентов на осмий по микроэлектронным устройствам в мире за 2004–2024 гг., ед.
Подавляющее большинство посвящено компьютерным дисплеям на основе электролюминесценции металлорганических соединений. Два пика патентования на рисунке 1 (в 2014 и 2021 гг.) прокомментируем: две волны указывают на 2 поколения металлорганических дисплеев.
Патенты РФ
В базе ФИПС на «осмий» (ключевое слово в реферате) числится 128 патента РФ на изобретения, из которых только 28 действующие. Это очень низкий показатель по сравнению с популярными металлами типа хрома! Можете посмотреть и сравнить статистику по рутению, танталу или индию.
В разделе «технологии процессов, B» — 9 патентов, все они посвящены катализаторам, например в процессах аммоксидирования — №2690512, реформинга №2547466 и др.
В разделе «химия и металлургия осмия, C» — 20 патентов, в основном сплавов с добавками осмия различного состава для широкого спектра применений, в первую очередь катализаторов (см. выше).
В разделе «электричество H» всего 2 патента: магнетрон (№2528982) и катод (№2724980).
Итак, патенты на изобретения в РФ с осмием посвящены в основном катализаторам химического синтеза и устройствам биохимии. По микроэлектронике — ни одного!
Патентов РФ на полезные модели числится 8 ед., ни одного действующего.
Программ для ЭВМ по слову «осмий» в РФ не зарегистрировано.
Баз данных и топологий интегральных схем в РФ по осмию также нет.
Заключение
Осмий активно исследовался в 2000–2010-х годах для использования в дисплеях. Особую активность проявили в тот период южнокорейцы. Российские усилия в этом направлении ничтожны; действительно, зачем что-то делать, если можно купить на Востоке?
При этом очевидно катастрофическое отставание от мировых лидеров. Особенно страшно это выглядит в сфере металлорганических дисплеев.
Полезное от Онлайн Патент:
→ Что такое Реестр отечественного ПО?
→ Бесплатный онлайн-поиск по базам данных Роспатента и Мадридской системы (доступно после регистрации).
→ Может ли иностранная компания внести свою программу в Реестр отечественного ПО?
→ Как IT-компаниям сохранить нулевой НДС и попасть в Реестр отечественного ПО
→ Как запатентовать технологию?
