Există un tip de metal care este foarte magic. În viața de zi cu zi, apare sub formă lichidă, precum mercurul. Dacă îl scăpați pe o cutie de conserve, veți fi surprinși să constatați că sticla devine la fel de fragilă ca hârtia și se va sparge cu o singură lovitură. În plus, scăparea lui pe metale precum cuprul și fierul provoacă și această situație, care poate fi numită „terminatorul de metale”. Ce îi provoacă astfel de caracteristici? Astăzi vom intra în lumea metalului galiu.
1. Ce element estegaliu metalic
Elementul galiu se află în a patra perioadă IIIA a tabelului periodic al elementelor. Punctul de topire al galiului pur este foarte scăzut, de doar 29,78 ℃, dar punctul de fierbere este de până la 2204,8 ℃. Vara, cea mai mare parte a acestuia există sub formă lichidă și se poate topi atunci când este pusă în palmă. Din proprietățile de mai sus, putem înțelege că galiul poate coroda alte metale tocmai datorită punctului său de topire scăzut. Galiul lichid formează aliaje cu alte metale, acesta fiind fenomenul magic menționat anterior. Conținutul său în scoarța terestră este de doar aproximativ 0,001%, iar existența sa nu a fost descoperită decât acum 140 de ani. În 1871, chimistul rus Mendeleev a rezumat tabelul periodic al elementelor și a prezis că după zinc, există și un element sub aluminiu, care are proprietăți similare cu aluminiul și este numit „element asemănător aluminiului”. În 1875, când omul de știință francez Bowabordland studia legile liniilor spectrale ale elementelor metalice din aceeași familie, a descoperit o bandă luminoasă ciudată în sfalerită (ZnS). A descoperit acest „element asemănător aluminiului”, pe care l-a numit după patria sa, Franța (Galia, latină Gallia), cu simbolul Ga pentru a reprezenta acest element. Astfel, galiul a devenit primul element prezis în istoria descoperirii elementelor chimice, fiind apoi confirmat în experimente.
Galiul este distribuit în principal în China, Germania, Franța, Australia, Kazahstan și alte țări din lume, dintre care rezervele de galiu ale Chinei reprezintă peste 95% din totalul mondial, fiind distribuite în principal în Shanxi, Guizhou, Yunnan, Henan, Guangxi și alte locuri [1]. În ceea ce privește tipul de distribuție, Shanxi, Shandong și alte locuri exploatează în principal bauxita, Yunnan și alte locuri minereu de staniu, iar Hunan și alte locuri exploatează în principal sfalerita. La începutul descoperirii metalului galiu, din cauza lipsei de cercetări corespunzătoare privind aplicațiile sale, oamenii au crezut întotdeauna că este un metal cu o utilizabilitate redusă. Cu toate acestea, odată cu dezvoltarea continuă a tehnologiei informației și era noilor energii și a tehnologiei înalte, metalul galiu a primit atenție ca material important în domeniul informației, iar cererea sa a crescut, de asemenea, considerabil.
2. Domenii de aplicare ale galiului metalic
1. Câmpul semiconductor
Galiul este utilizat în principal în domeniul materialelor semiconductoare, materialul arseniură de galiu (GaAs) fiind cel mai utilizat pe scară largă, iar tehnologia fiind cea mai matură. Ca purtător de diseminare a informațiilor, materialele semiconductoare reprezintă 80% până la 85% din consumul total de galiu, fiind utilizat în principal în comunicațiile fără fir. Amplificatoarele de putere pe bază de arseniură de galiu pot crește viteza de transmisie a comunicațiilor de 100 de ori față de rețelele 4G, ceea ce poate juca un rol important în intrarea în era 5G. Mai mult, galiul poate fi utilizat ca mediu de disipare a căldurii în aplicațiile semiconductoare datorită caracteristicilor sale termice, punctului de topire scăzut, conductivității termice ridicate și performanței bune de curgere. Aplicarea galiului metalic sub formă de aliaj pe bază de galiu în materialele de interfață termică poate îmbunătăți capacitatea de disipare a căldurii și eficiența componentelor electronice.
2. Celule solare
Dezvoltarea celulelor solare a trecut de la celulele solare din siliciu monocristalin timpuriu la celulele cu peliculă subțire din siliciu policristalin. Datorită costului ridicat al celulelor cu peliculă subțire din siliciu policristalin, cercetătorii au descoperit celule cu peliculă subțire din cupru, indiu, galiu, seleniu (CIGS) în materiale semiconductoare [3]. Celulele CIGS au avantajele costurilor de producție reduse, ale producției în loturi mari și ale ratei ridicate de conversie fotoelectrică, având astfel perspective largi de dezvoltare. În al doilea rând, celulele solare cu arsenură de galiu au avantaje semnificative în ceea ce privește eficiența de conversie în comparație cu celulele cu peliculă subțire fabricate din alte materiale. Cu toate acestea, datorită costului ridicat de producție al materialelor cu arsenură de galiu, acestea sunt utilizate în prezent în principal în domeniile aerospațial și militar.
3. Energia hidrogenului
Odată cu creșterea gradului de conștientizare a crizei energetice în întreaga lume, oamenii caută să înlocuiască sursele de energie neregenerabile, dintre care energia hidrogenului se remarcă. Cu toate acestea, costul ridicat și siguranța scăzută a stocării și transportului hidrogenului împiedică dezvoltarea acestei tehnologii. Fiind cel mai abundent element metalic din scoarță, aluminiul poate reacționa cu apa pentru a produce hidrogen în anumite condiții, fiind un material ideal pentru stocarea hidrogenului. Cu toate acestea, datorită oxidării ușoare a suprafeței metalului aluminiu pentru a forma o peliculă densă de oxid de aluminiu, care inhibă reacția, cercetătorii au descoperit că galiul metalic cu punct de topire scăzut poate forma un aliaj cu aluminiul, iar galiul poate dizolva stratul de oxid de aluminiu de la suprafață, permițând reacției să continue [4], iar galiul metalic poate fi reciclat și reutilizat. Utilizarea materialelor din aliaje de aluminiu-galiu rezolvă în mare măsură problema preparării rapide și a depozitării și transportului în siguranță a energiei hidrogenului, îmbunătățind siguranța, economia și protecția mediului.
4. Domeniul medical
Galiul este utilizat în mod obișnuit în domeniul medical datorită proprietăților sale unice de radiații, care pot fi utilizate pentru imagistica și inhibarea tumorilor maligne. Compușii de galiu au activități antifungice și antibacteriene evidente și, în cele din urmă, realizează sterilizarea prin interferența cu metabolismul bacterian. Aliajele de galiu pot fi utilizate pentru a fabrica termometre, cum ar fi termometrele de galiu-indiu-staniu, un nou tip de aliaj metalic lichid, sigur, netoxic și ecologic, care poate fi utilizat pentru a înlocui termometrele toxice cu mercur. În plus, o anumită proporție de aliaj pe bază de galiu înlocuiește amalgamul tradițional de argint și este utilizat în aplicații clinice ca un nou material de plombare dentară.
3. Perspectivă
Deși China este unul dintre principalii producători de galiu din lume, există încă multe probleme în industria galiului din China. Din cauza conținutului scăzut de galiu ca mineral însoțitor, întreprinderile producătoare de galiu sunt dispersate, iar lanțul industrial prezintă verigi slabe. Procesul de minerit are o poluare gravă a mediului, iar capacitatea de producție a galiului de înaltă puritate este relativ slabă, bazându-se în principal pe exportul de galiu grosier la prețuri mici și importul de galiu rafinat la prețuri mari. Cu toate acestea, odată cu dezvoltarea științei și tehnologiei, îmbunătățirea nivelului de trai al oamenilor și aplicarea pe scară largă a galiului în domeniile informației și energiei, cererea de galiu va crește, de asemenea, rapid. Tehnologia de producție relativ înapoiată a galiului de înaltă puritate va avea inevitabil constrângeri asupra dezvoltării industriale a Chinei. Dezvoltarea de noi tehnologii este de mare importanță pentru realizarea unei dezvoltări de înaltă calitate a științei și tehnologiei în China.
Data publicării: 17 mai 2023