Осмий — редкий элемент из семейства платиновых металлов, отличающийся уникальными физико-химическими характеристиками. В природе он представлен семью изотопами, из которых шесть являются стабильными: 184Os, 187Os, 188Os, 189Os, 190Os и 192Os, последний из которых — наиболее тяжелый. Элемент проявляет химические валентности от 0 до +8.
Среди всех известных металлов осмий обладает наивысшей плотностью — 22,61 г/см³. Однако его значимость определяется не только этим параметром.
Это также наиболее твёрдый металл среди платиноидов, с твердостью по Моосу, равной 7. Вместе с тем он хрупок, что ограничивает его применение в конструкционных материалах. Осмий отличается исключительно высокой температурой плавления, которая, в зависимости от источника, составляет от 2700 до 3500 °C, а температура кипения достигает 5000–5500 °C.
В химическом отношении элемент в компактном состоянии устойчив к воздействию большинства реагентов, но в виде порошка активно окисляется даже при комнатной температуре, образуя летучий и токсичный тетраоксид осмия (OsO₄) с характерным резким запахом. Название «осмий» восходит к греческому слову ὀσμή, означающему «запах».
История открытия
Элемент был открыт британским химиком Смитсоном Теннантом в 1804 году. В ходе исследований нерастворимого остатка сырой платины, он выделил новый металл, присутствующий в соединении с иридием. Этот природный сплав позднее получил название осмиридий.
Ещё до Теннанта внимание к нерастворимому остатку придавал французский химик Ипполит-Виктор Колле-Дескотиль, заподозривший присутствие нового металла. Параллельно исследования проводили и Антуан де Фуркруа с Луи-Николя Вокленом, предложившие название «птен» (от греч. πτηνός — крылатый). Однако именно наименование, предложенное Теннантом — «осмий», — вошло в научный обиход.
Сферы применения
Несмотря на ограниченные объемы добычи, осмий находит применение в нескольких высокотехнологичных отраслях:
-
В гомогенном и гетерогенном катализе — тетраоксид осмия используется для синтеза сложных органических соединений, а металлический осмий — в катализаторах, включая топливные элементы на метаноле;
-
В составе сверхтвердых сплавов. Например, сплав осмия с вольфрамом, известный как осрам, используется в редких случаях при производстве нитей накаливания, а осмий-платиновые сплавы — в имплантируемых медицинских устройствах, таких как кардиостимуляторы;
-
В электронной микроскопии — OsO₄ применяется как контрастный краситель при подготовке образцов;
-
В гистологии — использовался в больших объемах в рамках онкологических исследований, хотя сегодня уступил место менее токсичным соединениям;
-
В микроэлектронике — исследуется в качестве компонента для органических светоизлучающих диодов (OLED).
Отдельного внимания заслуживает изотоп осмий-187, применявшийся в высокоточных приборах, в частности — для калибровки масс-спектрометров. В настоящее время его производство ограничено, и крупнейшим экспортером этого изотопа остается предприятие «Жезказганредмет» в Казахстане.
В Германии деятельность по продвижению осмия как инвестиционного и ювелирного металла ведёт Институт осмия (Osmium-Institut GmbH).
Минерально-сырьевая база
Добыча осмия осуществляется из двух основных типов месторождений:
-
Комплексные платинометалльные руды, содержащие самородный осмий, его сульфиды и интерметаллические соединения. Основные объемы поступают с Бушвельдского комплекса (ЮАР) и Норильского месторождения (Россия);
-
Молибденовые руды, содержащие рений и вторично обогащённые радиогенным осмием-187, образующимся в результате радиоактивного распада рения (в частности, минерал джезказганит, открытый в 1961 году).
Интересно, что именно осмий-рениевый метод используется в геохронологии как альтернатива традиционному радиоуглеродному датированию для определения возраста горных пород.
Выделение осмия как товарной продукции стало возможным с конца 1970-х годов. Если в то время годовой объем добычи исчислялся десятками килограммов, то к концу 1990-х он достиг нескольких сотен. В настоящее время объёмы добычи оцениваются примерно в 100 кг в год, хотя точные статистические данные не публикуются.
В России извлечение осмия ведётся ПАО «ГМК «Норильский никель», после чего концентраты поступают на Приокский завод цветных металлов, где производится металлический осмий в виде порошка в соответствии с ГОСТ 12339–2016.
Патентный ландшафт
Согласно данным портала Google Patents, существует свыше 100 000 патентных документов, в которых упоминается осмий. При этом рынок не демонстрирует ярко выраженных лидеров — патенты распределены между множеством промышленных компаний. Среди крупнейших держателей:
-
Abbott Diabetes Care Inc. — около 5%;
-
California Institute of Technology — порядка 2%;
-
Semiconductor Energy Laboratory — также значительный вклад.
Как видно из представленных данных, в первой пятёрке лидеров по числу патентов, связанных с осмием, преобладают американские компании и организации. Третье место занимает компания японского изобретателя Ямадзаки Сюмпэя, известного своей активной патентной деятельностью. Пятую строчку рейтинга занимает немецкое предприятие с более чем столетней историей, специализирующееся на производстве и переработке цветных металлов.
Значительная доля патентов связана с физико-химическими процессами, в которых применяется осмий. В частности, 17% всех патентов касаются катализа и процессов очистки в химической промышленности ( B01J ), 15% — полупроводниковых устройств и сплавов для электронной промышленности ( H01L ), 11% — химических соединений ациклического и карбоциклического типов ( C07C ). Также 11% патентов относятся к методам анализа и исследования материалов с использованием физических и химических свойств ( G01N ), а 10% — к технологиям, направленным на снижение воздействия на климат и охрану окружающей среды ( Y02P ).
В 2023 году приоритетной областью патентования стали климатически нейтральные технологические процессы, включая биологические методы очистки сточных вод и выбросов (код Y02P). В числе примеров можно отметить разработки в области осмий-органических соединений ( CN115960142A ), аккумуляторных технологий с применением литий-ионных батарей ( CN117317138A ), а также процессов извлечения благородных металлов, включая осмий, из промышленных отходов и сточных вод ( CN116622995A ).
Патентная активность в Российской Федерации
Согласно данным Федерального института промышленной собственности (ФИПС), в базе зарегистрировано 128 патентов РФ на изобретения, содержащих слово «осмий» в реферате. При этом действующими остаются лишь 28 из них, что является крайне низким показателем по сравнению с другими промышленно значимыми металлами, такими как хром.
Основное количество патентов связано с разработкой катализаторов для химического синтеза, а также с оборудованием и методами, применяемыми в биохимии. Следует отметить, что в области микроэлектроники в Российской Федерации отсутствуют зарегистрированные изобретения с применением осмия.
В разделе полезных моделей зарегистрировано 8 патентов, из которых ни один в настоящее время не имеет юридической силы. Кроме того, отсутствуют зарегистрированные программы для ЭВМ, содержащие ключевое слово «осмий». Также в российских реестрах не зафиксировано ни одной базы данных или топологии интегральных схем, в которых бы фигурировал данный металл.
Заключение
В период с 2000-х по 2010-е годы осмий активно исследовался в контексте применения в дисплейных технологиях, при этом наибольшую патентную активность проявляли южнокорейские компании. Российская активность в этой области была крайне ограниченной.
Текущая ситуация демонстрирует значительное технологическое отставание от ведущих мировых центров исследований и разработок. Особенно заметна разница в области органо-металлических дисплеев, где Россия фактически отсутствует на патентной карте.