摘要：准金属是一类介于金属与非金属之间的特殊元素，既具备一定的导电性与金属性，又展现出非金属的多样性与反应活性，广泛应用于电子、能源、航空航天等高技术领域。随着科技的发展，准金属在纳米材料、催化反应与功能器件中的潜力不断被发掘，有望推动新材料、新能源及绿色化学的突破。本文系统介绍了准金属的定义、物理化学性质、典型应用以及未来发展方向，旨在为读者全面理解这一类关键元素提供科学参考。
关键词：准金属、物理化学性质、半导体、催化合成
Abstract: Metalloids are a unique class of elements situated between metals and nonmetals on the periodic table. They possess moderate electrical conductivity and metallic character, while also exhibiting the chemical diversity and reactivity of nonmetals. Due to this dual nature, metalloids find broad applications in high-tech fields such as electronics, energy, and aerospace. With advancing technology, their potential in nanomaterials, catalytic reactions, and functional devices continues to emerge, offering promising breakthroughs in new materials, sustainable energy, and green chemistry. This article provides a comprehensive overview of metalloids, including their definition, physicochemical properties, representative applications, and future development prospects, aiming to offer readers a scientific foundation for understanding these critical elements.
Keywords: metalloids, physicochemical properties, semiconductors, catalytic synthesis
元素周期表将元素按其性质被系统地分类，其中金属和非金属是最常见的两类[1]。金属以良好的导电性、延展性和光泽著称，而非金属通常具备绝缘性和结构多样性[2]。然而，位于这两类之间的准金属（metalloids，又称类金属或半金属）因同时具备金属与非金属的一些性质而显得尤为特别。2025年7月6日，第二十七届中国科协年会主论坛上，将“准金属替代过渡金属用于精准合成与催化反应的可行性研究”定为2025年十大前沿科学问题。
准金属的最大特点在于“亦金属亦非金属”的中间性，这使它们在现代科技中扮演着关键角色，尤其在电子、半导体和能源材料等领域。以硅和锗为例，它们是电子设备如计算机芯片和太阳能电池中的核心材料[3]。正是这些元素模糊了金属与非金属之间的界限，也推动了材料科学的发展。本文将简要介绍准金属的定义、在周期表中的位置，以及其物理和化学特征。接着，重点说明几种具有代表性的准金属元素的功能和用途，特别是在高科技产业中的应用价值。
准金属（Metalloids），又称类金属或半金属（Semimetals），是一类在性质上处于金属与非金属之间的元素[4]。尽管目前尚无统一的严格定义，人们通常根据其综合的物理和化学特征来进行分类。它们不像典型金属那样具备明显的金属性，也不完全符合非金属的特性，而是在两者之间展现出“过渡性”或“混合性”行为。例如，准金属的电负性一般介于1.8～2.4之间，导电能力处于金属与非金属之间，同时具备较低的延展性，质地较脆。
2.1 准金属的发现历史
“准金属”概念的提出，源于人类在探索化学元素过程中对传统分类方式的挑战。最初，化学家主要依据元素的外观与物理性质（如光泽、延展性、导电性）将其划分为金属与非金属。然而，随着研究深入，一些元素表现出兼具金属与非金属特征的行为，让这种二元分类变得不再适用。例如，砷和锑早已为古人所利用，尽管它们表面有金属光泽，但质地脆弱、延展性差[5]；在化学反应中，有时表现为金属，有时又偏向非金属，引发了当时科学界的广泛讨论。
硅的研究更推动了准金属概念的形成。公元前几千年，人类就已利用二氧化硅制作陶瓷和玻璃。到了1823年，瑞典化学家Jöns Jacob Berzelius（图1a）首次分离出纯硅，发现其既有金属光泽，又具半导体特性[6]。这种“介于两者之间”的导电行为，为半导体科技打下基础。锗的发现更是验证了门捷列夫周期表的科学预见性。1886年，德国化学家Clemens Winkler（图1b）发现锗，其性质几乎完全符合门捷列夫15年前对“类硅”元素的预测[7-8]，巩固了这类元素的独特定位。随着科学的进步，金属性与非金属性已不再被视为截然对立，而是被理解为连续变化的“光谱”；准金属正处于这一光谱的过渡区域，填补了元素分类中的空白。
图2. 准金属在元素周期表中的位置（来源：https://sciencenotes.org）
2.2 准金属在元素周期表中的位置
在元素周期表中，将从硼（B）到钋（Po）的阶梯式分界线作为参考，这条线右侧的元素归类为非金属，而左侧的元素则归类为金属（图2）。准金属位于金属和非金属之间的“分界线”上，这条线通常被称为“阶梯线”或“锯齿线”[9]。这条线从硼（B）开始，向下延伸到硅（Si）、锗（Ge）、砷（As）、锑（Sb）和碲（Te）。钋（Po）和砹（At）也被认为是准金属，但其性质的准金属特征不如前6种元素明显。
2.3准金属的物理化学性质
准金属在物理性质上体现出“金属与非金属之间”的双重特性。它们大多在室温下呈固态，具有金属般的光泽（图3），但质地脆弱，缺乏延展性[10-11]。其最典型的特征是半导体性质：导电性介于导体和绝缘体之间，且可通过温度或掺杂进行调控，因此被广泛应用于电子与信息技术领域。此外，准金属的密度、熔点、沸点和热导率也通常处于金属与非金属之间。
在化学性质上，准金属也像“夹在中间”的选手，既有金属的部分特征，也保留了非金属的性质。它们的氧化物通常是两性的，既能和酸反应，也能和碱反应，化学反应非常灵活。准金属更喜欢形成共价键，既能和卤素结合生成卤化物，也能和金属结合形成合金，这让它们在材料科学中用途广泛[4,11]。它们的电负性适中，有时候会像金属一样失去电子，有时候又会像非金属一样获得电子（图4）。正因为这种“双重性格”，准金属在半导体、光电器件和高性能合金等领域都扮演着不可替代的角色。
图4. 金属、准金属和绝缘体的电子结构特征（自制）
3.1硅：电子工业的支柱
硅是地壳中含量丰富、应用最广的准金属，具备优异的半导体性能。通过掺杂可实现导电性调控，广泛用于集成电路、太阳能电池和各类电子元件中（图5）[12]。在集成电路方面，硅是制造芯片的核心材料，广泛用于智能手机、计算机、家电、汽车等设备中。在新能源领域，硅也是制造太阳能电池的主要材料，单晶硅和多晶硅光伏组件能够将太阳光直接转化为电能，广泛应用于屋顶发电、太阳能电站和航天设备等。太阳能电站通过大规模铺设光伏组件集中收集太阳能，将其转化为电能并输送至电网（图6），能够在白天高效供电，满足城市、工业园区甚至偏远地区的用电需求。此类电站多建于光照资源丰富的地区，如荒漠、戈壁或沿海滩涂，不仅能规模化利用清洁能源，还可减少化石燃料消耗和温室气体排放。此外，硅化合物还广泛应用于硅橡胶、硅油等高性能材料的制造。硅橡胶具有优异的耐高低温、耐老化和绝缘性能，被用于医疗器械、建筑密封件及航天器部件等；硅油则因其稳定性好、润滑性强，被广泛用于润滑、绝缘、消泡及减震等场景。这些材料在医疗、建筑及航天等领域发挥着不可替代的作用[13]。
3.2硼：轻质高强材料与核防护核心
硼因其高强度、轻质和耐高温的特性，在航空航天领域具有广泛应用。硼纤维材料不仅能显著增强复合材料的机械性能，还能在保证强度的同时有效减轻结构重量，被用于飞机机翼、航天器外壳等关键部件。碳化硼因其超高硬度和优异的耐磨性，被用于制造轻质防护装甲和高温陶瓷部件；氮化硼则具备优良的热稳定性与润滑性能，可作为固体润滑剂应用于真空或极端温度环境下的机械装置[14]。此外，10B同位素具有极强的中子吸收能力，在核防护材料和航天器辐射屏蔽中发挥着不可替代的作用[15]，有效提升飞行器在高辐射环境中的安全性。
图6. 动画版太阳能电站（自制）
3.3碲：提升金属性能的隐形功臣
碲的应用价值日益受到重视，尤其在提升材料性能方面表现突出（图7），碲具备改善金属可加工性的能力，常用于钢、铜和铅合金中以提升切削性能、硬度与耐腐蚀性[16]。碲与其他元素如镉（Cd）或汞（Hg）形成的化合物，如碲化镉（CdTe）和碲化汞镉（HgCdTe）是性能优异的红外探测材料和光伏材料[17]。在半导体领域，碲化合物如碲化镉也具备优良的光电特性，广泛应用于光电器件与热电材料。
3.4锗：高效能太阳能与红外技术的核心材料
锗拥有优异的半导体性质和红外透明性，是高效多结太阳能电池的理想衬底材料，尤其用于太空和聚光光伏系统[18]。锗还广泛用于红外光学、光纤通信及红外探测器，具备高电子迁移率，适合高速电子器件开发。
3.5其他准金属的多样用途
砷被用于化合物半导体（如砷化镓），广泛应用于高速通信与光电设备；锑则常见于合金强化和阻燃剂添加，也参与某些半导体材料的制备。它们虽不如硅和锗广为人知，但在工业与科技中的作用同样不可忽视。
3.6 准金属在精准合成与催化反应中的应用
除材料科学领域外，准金属在催化化学中也展现出巨大潜力。在多相催化体系中，准金属常以掺杂、合金化、界面构建或单原子负载的形式参与催化剂设计。例如，硼掺杂可诱导电子重排，稳定CO2加氢反应中的中间体；而碲修饰金属表面能有效调控电子密度，提升逆水煤气变换（RWGS）反应中CO的选择性（图8）[19]。此外，准金属与贵金属或过渡金属形成的异质结构界面，在氧还原（ORR）、析氢（HER）及醇类选择性氧化等反应中，展现出优异的协同催化效果。它们可通过调控电子转移行为和中间体吸附能，实现更高效且可控的催化路径。
硅、硼、锑、砷等准金属也被广泛用于有机合成。硅基试剂（如TMS醚、硅烯）反应活性强、可调性好，是构筑官能团的常用工具[20]。硼因其Lewis酸性和空p轨道，广泛用于Suzuki偶联、酯化与还原胺化等反应[21]。含砷或锑的手性配体还可与金属形成稳定络合物，实现不对称催化中高对映与区域选择性。
图8. 碲元素用于调节逆水煤气变换（RWGS）反应的CO选择性[19]
准金属是介于金属与非金属之间的一类特殊元素，兼具两者的物理与化学特性，在现代科技中扮演着重要角色。它们既具有金属的导电性，又展现出非金属的反应多样性，是连接两类元素世界的桥梁。硅是电子芯片的核心材料，硼被广泛用于制造轻质高强复合材料，锗是航天太阳能电池的关键基础，而碲则可提升钢材加工性能。准金属广泛应用于电子、能源、航空航天等领域，不仅推动技术革新，也加深了人们对物质结构与功能之间关系的理解。随着纳米技术和电子结构研究的发展，准金属在新型材料设计与高效催化中的应用潜力不断拓展，未来有望引领更多关键技术的突破，成为支撑绿色、高性能科技的核心元素。
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袁紫亮（1994.09-），男，工学博士。研究方向：生物质能源化学、绿色有机合成、药物分子绿色合成等，聚焦“科学知识生产-硬科普转化-全域科技传播”，已在Nat. Commun.、Angew. Chem. Int. Ed.、J. Am. Chem. Soc.和《科学通报》等期刊发表论文30余篇。
来稿《亦金属亦非金属：走进准金属的奇妙世界》选题有趣、科普性较好，内容涵盖准金属的概念、性质及应用，整体结构清晰，语言通顺。进一步修改，可提升可读性与趣味性。具体修改建议如下：
1. 语言与段落结构需要进一步优化，例如第3页第2段（“准金属介于金属与非金属之间…”）句子较长，可拆分为2-3个短句；第5页“航空航天领域应用”部分可增加过渡语句或小标题，使科普逻辑更易跟进。
2. 图文配合与可视化需要调整，图1建议在元素位置旁增加“准金属”标识或颜色突出，帮助读者一眼辨认；图3涉及能源应用的示意图，可加入简短说明文字，如“用于太阳能电池/催化剂”等。
3. 趣味性与生活化表达适当增加，可在文末或应用介绍中增加1-2个生活相关实例，例如“硅芯片的广泛应用”或“铝的日常用途”对比，引导读者将概念与生活联系起来；适当加入科普类小提示或趣味句式，使内容更贴近大众读者的阅读习惯。
作者：袁紫亮
作者单位：重庆第二师范学院生物与化学工程学院
作者邮箱：yuan-zi-liang@outlook.com
审稿人：陈莉
编辑：朱真逸
审核：佘婉宁