تخطي إلى المحتوى 
تمثل الفلزات مجموعة خاصة من العناصر التي تشكل الجسر بين الفلزات واللافلزات. تؤثر هذه المكونات السبعة المذهلة على التكنولوجيا الحديثة بطريقة لا يدركها معظم الناس. والمكونات السبعة من الفلزات هي المكونات السبعة التي تعمل على تشغيل العديد من الأجهزة المستخدمة كل يوم، وهي رقائق الكمبيوتر والألواح الشمسية.
في عام 2024، قُدِّرت مبيعات أشباه الموصلات في جميع أنحاء العالم بـ 627.6 مليار دولار، وهو ما يزيد بمقدار 19.11 تيرابايت 3 تيرابايت عن العام السابق. وتُظهر هذه الزيادة أهمية هذه الجوانب اليوم في الإنتاج والتكنولوجيا. وحققت رقاقة السيليكون وحدها عائدات بلغت 11.5 مليار في عام 2024 وفقًا لتقارير صناعة SEMI.
وتساعد معرفة هذه العوامل المهندسين على اختيار المواد المناسبة لاستخدامها في عملية التصنيع الدقيق. تشمل الاستخدامات الصناعية للميتالويدات المعدنية امتلاك كل مادة معدنية بعض الخصائص المميزة التي تساهم في فائدتها.
ما الذي يجعل عناصر الفلزات السبعة مميزة؟
تحتوي اللافلزات على 7 عناصر وهي البورون والسيليكون والجرمانيوم والزرنيخ والأنتيمون والتيلوريوم والبولونيوم. تظهر هذه العناصر في موضع قطري على الجدول الدوري لتشكل حدًّا طبيعيًّا بين الفلزات واللافلزات.
هذه العناصر معروفة لدى العلماء بسبب خصائصها شبه الموصلة. فهي موصلات جيدة للكهرباء مقارنة باللافلزات ولكن ليس مقارنة بالفلزات. وهي موصلات متوسطة المستوى تناسبها في صناعة الإلكترونيات. ويحتفظ المعهد الوطني للمعايير والتكنولوجيا بقاعدة بيانات لجميع هذه العناصر في قاعدة بيانات الجدول الدوري الخاصة به التي تحتوي على بيانات مفصلة عن الخواص الذرية لكل عنصر.
كلتا الفلزات لها لمعان معدني ولكنها هشة في الحالة الصلبة. والروابط البنائية بينهما تساهمية وليست معدنية. وتُظهر استجابات غريبة للتغير في درجة الحرارة من حيث التوصيلية.
كيف تختلف عناصر الفلزات السبعة عن العناصر الأخرى؟
تتضح الفروق بين أشباه الفلزات ومجموعات العناصر الأخرى عند مقارنة خواصها جنبًا إلى جنب.
| الممتلكات | المعادن | الفلزات | اللافلزات |
| التوصيل الكهربائي | ممتاز | معتدل | فقير |
| الحالة المادية | صلبة في الغالب | جميع المواد الصلبة | متنوع |
| الليونة | عالية | لا يوجد | لا يوجد |
| اللمعان | لامعة | لامعة | باهتة |
| سلوك الإلكترون | إطلاق الإلكترونات | مشاركة الإلكترونات | اكتساب الإلكترونات |
واعتمادًا على درجة الحرارة وكذلك الشوائب المضافة، فإن الفلزات قادرة على تغيير توصيلها. وهذه المرونة هي السبب في أن السيليكون هو الرائد في أشباه الموصلات. تشير التقديرات إلى أن سوق الجرمانيوم سيبلغ 263.80 مليون وسيصل إلى 375.12 مليون بسبب الطلب على الألياف البصرية وأجهزة الأشعة تحت الحمراء بحلول عام 2024 و2033 على التوالي.
أين يحكم السيليكون التكنولوجيا الحديثة؟
ويعد السيليكون أكثر الفلزات أهمية من الناحية التجارية. من المتوقع أن يحقق سوق تكنولوجيا السيليكون الجرمانيوم 1.2 مليار في عام 2024 و2.5 مليار في عام 2033 بمعدل نمو 9.2 في المائة. ويشير هذا النمو إلى حيوية السيليكون في الاتصالات والإلكترونيات الاستهلاكية.
رقائق السيليكون هي الاعتماد الوحيد لمعالجات الكمبيوتر. وبمساعدة خلايا السيليكون، تقوم الألواح الشمسية بتحويل ضوء الشمس إلى كهرباء. كما تستخدم مركبات السيليكون في مواد البناء لتعزيز القوة والمتانة. ولتحقيق الدقة العالية المطلوبة في هذه التطبيقات، غالبًا ما يعتمد المصنعون على خدمات التصنيع الآلي باستخدام الحاسب الآلي الرقمي لتشكيل وصقل مكونات السيليكون بدقة استثنائية. إن وفرة هذا العنصر في القشرة الأرضية تجعل إنتاجه على نطاق واسع عملياً وبأسعار معقولة.
ما هي الصناعات الأكثر استخدامًا لعناصر الفلزات السبعة؟
تعتمد القطاعات المختلفة على فلزات معينة بناءً على خصائصها الفريدة.
| ميتالويد | تطبيق السوق 2024 | الصناعة الرئيسية |
| البورون | تقوية الفولاذ، مثبطات اللهب | التصنيع |
| السيليكون | أشباه الموصلات والخلايا الشمسية | الإلكترونيات |
| الجرمانيوم | الألياف الضوئية وأنظمة الأشعة تحت الحمراء | الاتصالات السلكية واللاسلكية |
| الزرنيخ | تنشيط أشباه الموصلات | الإلكترونيات |
| الأنتيمون | تصنيع البطاريات | السيارات |
| التيلوريوم | الأجهزة الكهروحرارية | الطاقة |
| البولونيوم | تطبيقات مضادة للكهرباء الساكنة | الأبحاث النووية |
استهلك قطاع الاتصالات السلكية واللاسلكية ما قيمته $740 مليون دولار من مواد السيليكون الجرمانيوم في عام 2023 وحده. تليها الإلكترونيات الاستهلاكية عن كثب، باستخدام $650 مليون في الفترة نفسها. تسلط هذه الأرقام الصادرة عن مؤسسة أبحاث السوق المستقبلية الضوء على الأهمية التجارية لـ 7 عناصر من الفلزات في التصنيع الحديث.
لماذا يقوي البورون السبائك المعدنية؟
تخلق إضافات البورون إلى الفولاذ والألومنيوم مواد أقوى وأكثر متانة. حتى الكميات الصغيرة من البورون تحسن بشكل كبير من الصلابة ومقاومة التآكل. يستخدم مصنعو السيارات الفولاذ المعزز بالبورون لمكونات السلامة الحرجة.
تستهلك تطبيقات مثبطات اللهب كميات كبيرة من مركبات البورون. تمنع هذه المواد انتشار الحريق في المنسوجات والبلاستيك ومواد البناء. كما تحتوي الأسمدة الزراعية على البورون كمغذٍ أساسي للنباتات.
كيف يتيح الجرمانيوم الاتصال السريع؟
الجرمانيوم مادة جيدة في كابلات الألياف الضوئية نظرًا لارتفاع معامل انكسارها. تتيح هذه الكابلات تبادل البيانات على نطاق عالمي بسرعة الضوء. أدى ازدهار الاتصالات في عام 2024 إلى ارتفاع الطلب على الجرمانيوم.
الأنظمة الضوئية بالأشعة تحت الحمراء تعتمد على عدسات ونوافذ الجرمانيوم. يُستخدم الجرمانيوم في معدات الرؤية الليلية والكاميرات الحرارية ومعدات التحليل الطيفي. ينمو سوق الجرمانيوم بسبب استخدام شبكات الجيل الخامس وأنظمة الأقمار الصناعية عالية السرعة.
ماذا يفعل الزرنيخ في تصنيع أشباه الموصلات؟
يعتبر الزرنيخ مكونًا إلكترونيًا رئيسيًا على الرغم من كونه سامًا. في بعض التطبيقات، تتمتع أشباه موصلات زرنيخيد الغاليوم بأداء أفضل من السيليكون. يستخدم زرنيخيد الغاليوم على نطاق واسع في المعدات عالية التردد وفي المكونات الإلكترونية الضوئية.
تاريخياً، كان حفظ الأخشاب يستخدم كميات كبيرة من الزرنيخ. وقد قيدت القوانين البيئية هذه الاستخدامات. يتركز التطبيق الحالي على التصنيع حيث يتم مراعاة تدابير السلامة بشكل كبير.
كيف يحسن الأنتيمون أداء البطارية؟
تتمتع بطاريات الرصاص الحمضية بميزة إضافات الأنتيمون التي تعزز طول العمر وتقلل من التفريغ الذاتي. وتعد بطاريات السيارات أحد المستهلكين الرئيسيين للأنتيمون. وهناك مجال آخر مهم للتطبيق هو المواد المتآزرة المثبطة للهب.
يستخدم ثالث أكسيد الأنتيمون لزيادة كفاءة مثبطات اللهب الأخرى في البلاستيك والمنسوجات. وتوفر هذه الطريقة الهجينة حماية أكبر من الحرائق بتكلفة أقل. يتزايد استهلاك الأنتيمون في العالم بسبب تسارع كهربة المركبات.
ما التطبيقات التي تحتاج إلى خصائص التيلوريوم؟
تقوم الأجهزة الكهروحرارية بتحويل الفروق في درجات الحرارة إلى طاقة كهربائية باستخدام مركبات التيلوريوم. ولا تحتوي محولات الطاقة الصلبة هذه على أجزاء متحركة، مما يجعلها موثوقة للغاية. وعادةً ما تستخدم التطبيقات الفضائية وأنظمة توليد الطاقة عن بُعد تكنولوجيا الكهرباء الحرارية.
تتحسن قابلية التشغيل الآلي للصلب والنحاس مع إضافات التيلوريوم الصغيرة. تقلل سهولة التصنيع الآلي من وقت التصنيع وتآكل الأدوات. تستخدم صناعة ألواح الطاقة الشمسية تيلورايد الكادميوم في الخلايا الكهروضوئية ذات الأغشية الرقيقة، مما يوفر بديلاً للألواح القائمة على السيليكون.
لماذا للبولونيوم استخدام تجاري محدود؟
يقصر النشاط الإشعاعي البولونيوم على التطبيقات المتخصصة. تستخدم مرافق البحوث النووية نظائر البولونيوم كمصادر إشعاعية. وتستخدم الأجهزة المضادة للكهرباء الساكنة في بعض العمليات الصناعية كميات ضئيلة من البولونيوم لإزالة الشحنات الساكنة.
متطلبات المناولة تجعل استخدام البولونيوم مكلفًا ومعقدًا. وقد تحولت معظم التطبيقات المحتملة إلى بدائل أكثر أماناً. وتستمر الأبحاث على البولونيوم بشكل رئيسي في مختبرات الفيزياء النووية في ظل بروتوكولات السلامة الصارمة.
كيف يستفيد التصنيع الدقيق من معرفة المعادن؟
تساعد معرفة خواص الفلزات المصنّع على استخدام المواد الأنسب لمهمة معينة. هناك الثبات في درجة الحرارة، والتوصيل الكهربائي، والقوة الميكانيكية، وهي جزء من الاختيارات في المواد.
تُعد معلمات القطع المستخدمة في تصنيع السبائك الغنية بالمعادن خاصة. يتم تحديد جودة تشطيب السطح من خلال الاختيار الصحيح للأدوات وسائل التبريد. وتستخدم الشركات التي تتعامل مع التصنيع الآلي الدقيق باستخدام الحاسب الآلي والتصنيع حسب الطلب هذه المواد عالية التقنية بشكل منتظم وتبسيط العمليات لتحقيق أكثر النتائج فعالية.
في المواد الغنية بالفلزات، يجب مراعاة الهشاشة في تصميم المكونات. لا تنحني هذه المواد تحت الضغط الشديد كما تفعل المعادن المطاطية بل تتشقق. ستعمل الهندسة الصحيحة على تجنب الأعطال وتعظيم الاستفادة من هذه الجوانب.
ما الذي تظهره البيانات الحديثة حول الطلب على الفلزات؟
في عام 2024، بلغت قيمة سوق مواد أشباه الموصلات 67.5 مليار في جميع أنحاء العالم وزادت بنسبة 3.8% مقارنة بالعام السابق. وجاءت تايوان على رأس قائمة الاستهلاك برقم 20.1 مليار، ثم الصين بـ 13.5 مليار وكوريا بـ 10.5 مليار. تُظهر هذه الأرقام الصادرة عن معهد SEMI تركيز معالجة الفلزات في المناطق الجغرافية.
كان النمو في عام 2024 مدفوعًا إلى حد كبير بالذكاء الاصطناعي والتوسع في مراكز البيانات. تتطلب التقنيات الموجودة على الرقاقة والتعبئة والتغليف درجة نقاء عالية من السيليكون والجرمانيوم. ومن المتوقع أن يواكب مستوى الطلب على هذه المواد نموًا مرتفعًا حتى عام 2025.
نمت مواد الاستواء الميكانيكية الكيميائية الميكانيكية البلازما مثل تلك التي تحتوي على مركبات البورون في أرقامها المضاعفة. ينطوي إنتاج أشباه الموصلات المتطورة على عمليات كيميائية أكثر تعقيدًا. إن 7 عناصر من الفلزات تظل محورية في هذه التطورات التكنولوجية.
الخاتمة
تمتلك التكنولوجيا الحديثة لبناتها الأساسية المصنوعة من عناصر الفلزات السبعة. يستخدم السيليكون لتشغيل أجهزة الحوسبة في جميع أنحاء العالم مع الجرمانيوم الذي يسهل الاتصالات عالية السرعة. ويعزز البورون قوة الأجزاء المهمة، ويعزز الأنتيمون أداء البطارية. ولكل عنصر من هذه العناصر خصائصه المميزة اللازمة في تطبيقات معينة.
وقد أكدت بيانات السوق مع إحصاءات السوق الأخيرة ارتفاع نمو الطلب في جميع تطبيقات الفلزات. دفع الذكاء الاصطناعي واتصالات الجيل الخامس والمركبات الكهربائية صناعة أشباه الموصلات إلى مزيد من النمو. وتساعد معرفة هذه المواد المتخصصين في اتخاذ خيارات عالية الجودة فيما يتعلق باختيار المواد وصنعها.
هل ترغب في التعامل مع الأجزاء المصممة هندسيًا بدقة على أساس مواد عالية الجودة؟ توفر شركة Elite Mould Tech الحلول الأكثر فعالية في التصنيع باستخدام الحاسب الآلي والنماذج الأولية السريعة والتصنيع حسب الطلب والتي تحول التصميمات إلى منتجات نهائية عالية الجودة.
الأسئلة الشائعة
ما هي عناصر الفلزات السبعة؟
إن 7 عناصر من الفلزات هي البورون، والسيليكون، والجرمانيوم، والجرمانيوم، والزرنيخ، والأنتيمون، والتيلوريوم، والبولونيوم. وتتميز هذه العناصر بخصائص تتراوح بين الفلزات واللافلزات، مما يجعلها أشباه موصلات قيّمة. السيليكون هو الأكثر أهمية من الناحية التجارية، ويهيمن على صناعة الإلكترونيات.
ما الفلزات الأكثر استخدامًا في الإلكترونيات؟
يهيمن السيليكون على تطبيقات الإلكترونيات نظرًا لوفرته وخصائصه الممتازة في أشباه الموصلات. حقق سوق رقائق السيليكون $11.5 مليار دولار في عام 2024. تعتمد رقائق الكمبيوتر، والألواح الشمسية، والدوائر المتكاملة اعتمادًا كبيرًا على السيليكون فائق النقاء كمادة أساسية لها.
لماذا تسمى أشباه الفلزات أشباه فلزات؟
تُسمَّى أشباه الفلزات أشباه فلزات لأنها تُظهِر خصائص كل من الفلزات واللافلزات. فهي توصل الكهرباء بشكل جيد إلى حد ما، وتبدو لامعة مثل الفلزات ولكنها تتصرف كيميائياً مثل اللافلزات. وتمنحها هذه الطبيعة الوسيطة تطبيقات تكنولوجية فريدة من نوعها لا يمكن أن تضاهيها الفلزات النقية ولا اللافلزات.
كيف تختلف أشباه الفلزات عن الفلزات الانتقالية؟
الفلزات أشباه موصلات بينما الفلزات الانتقالية موصلة للكهرباء بشكل جيد. أشباه الفلزات هشة بينما الفلزات الانتقالية مرنة. تحتل أشباه الفلزات خطًا قطريًّا في الجدول الدوري بينما تملأ الفلزات الانتقالية الكتلة d. كما تختلف روابطها الكيميائية وتطبيقاتها الصناعية اختلافًا كبيرًا.
ما هي المخاوف المتعلقة بالسلامة مع العناصر الفلزية؟
الزرنيخ شديد السمية ويتطلب التعامل معه بعناية مع توفير التهوية المناسبة ومعدات الحماية. البولونيوم مشع للغاية وخطير. السيليكون والبورون آمنان نسبيًا في الظروف العادية. اتبع دائماً صحائف بيانات سلامة المواد واستخدم معدات الحماية المناسبة عند التعامل مع هذه العناصر.
