Det finns en sorts metall som är väldigt magisk. I vardagen förekommer den i flytande form, precis som kvicksilver. Om du tappar den på en burk blir du förvånad över att flaskan blir lika ömtålig som papper och går sönder med bara ett stöt. Att tappa den på metaller som koppar och järn orsakar dessutom denna situation, som kan kallas "metallterminatorn". Vad orsakar dessa egenskaper? Idag ska vi ge oss in i metallen galliums värld.
1. Vilket grundämne ärgalliummetall
Gallium tillhör den fjärde perioden IIIA-gruppen i det periodiska systemet. Smältpunkten för rent gallium är mycket låg, endast 29,78 ℃, men kokpunkten är så hög som 2204,8 ℃. På sommaren existerar det mesta som en vätska och kan smältas när det placeras i handflatan. Utifrån ovanstående egenskaper kan vi förstå att gallium kan korrodera andra metaller just på grund av dess låga smältpunkt. Flytande gallium bildar legeringar med andra metaller, vilket är det magiska fenomen som nämnts tidigare. Dess innehåll i jordskorpan är bara cirka 0,001%, och dess existens upptäcktes inte förrän för 140 år sedan. År 1871 sammanfattade den ryske kemisten Mendelejev det periodiska systemet och förutspådde att det efter zink också finns ett grundämne under aluminium, som har liknande egenskaper som aluminium och kallas ett "aluminiumliknande grundämne". År 1875, när den franske vetenskapsmannen Bowabordland studerade spektrallinjelagarna för metallelement i samma familj, upptäckte han ett märkligt ljust band i sfalerit (ZnS). Han fann därför detta "aluminiumliknande element" och döpte det sedan efter sitt hemland Frankrike (Gallien, latin Gallia), med symbolen Ga som representerar detta element. Gallium blev alltså det första elementet som förutspåddes i historien om upptäckten av kemiska element, och fann sedan det bekräftade elementet i experiment.
Gallium distribueras huvudsakligen i Kina, Tyskland, Frankrike, Australien, Kazakstan och andra länder i världen, varav Kinas galliumreserver står för mer än 95 % av världens totala, huvudsakligen distribuerade i Shanxi, Guizhou, Yunnan, Henan, Guangxi och andra platser [1]. När det gäller distributionstyp finns det främst bauxit i Shanxi, Shandong och andra platser, tennmalm i Yunnan och andra platser, och sfalerit i Hunan och andra platser. I början av upptäckten av galliummetall, på grund av bristen på motsvarande forskning om dess tillämpning, har människor alltid trott att det är en metall med låg användbarhet. Men med den kontinuerliga utvecklingen av informationsteknik och eran av ny energi och högteknologi har galliummetall fått uppmärksamhet som ett viktigt material inom informationsområdet, och dess efterfrågan har också ökat kraftigt.
2. Användningsområden för metallgallium
1. Halvledarfält
Gallium används huvudsakligen inom halvledarmaterial, där galliumarsenid (GaAs) är det mest använda materialet och tekniken är den mest mogna. Som bärare av informationsspridning står halvledarmaterial för 80 % till 85 % av den totala galliumförbrukningen, främst inom trådlös kommunikation. Galliumarsenid-effektförstärkare kan öka kommunikationsöverföringshastigheten till 100 gånger högre än för 4G-nätverk, vilket kan spela en viktig roll för att komma in i 5G-eran. Dessutom kan gallium användas som värmeavledningsmedium i halvledarapplikationer tack vare dess termiska egenskaper, låga smältpunkt, höga värmeledningsförmåga och goda flödesprestanda. Att använda galliummetall i form av en galliumbaserad legering i termiska gränssnittsmaterial kan förbättra värmeavledningsförmågan och effektiviteten hos elektroniska komponenter.
2. Solceller
Utvecklingen av solceller har gått från tidiga monokristallina kiselsolceller till polykristallina kisel-tunnfilmsceller. På grund av den höga kostnaden för polykristallina kisel-tunnfilmsceller har forskare upptäckt koppar-indium-gallium-selen-tunnfilmsceller (CIGS) i halvledarmaterial [3]. CIGS-celler har fördelarna med låga produktionskostnader, storskalig produktion och hög fotoelektrisk omvandlingshastighet, vilket har breda utvecklingsmöjligheter. För det andra har galliumarsenid-solceller betydande fördelar i omvandlingseffektivitet jämfört med tunnfilmsceller gjorda av andra material. På grund av den höga produktionskostnaden för galliumarsenidmaterial används de dock för närvarande huvudsakligen inom flyg- och rymdindustrin och militära områden.
3. Vätgasenergi
Med den ökande medvetenheten om energikrisen över hela världen försöker människor ersätta icke-förnybara energikällor, där vätgasenergi utmärker sig. Emellertid hindrar den höga kostnaden och den låga säkerheten för vätgaslagring och transport utvecklingen av denna teknik. Som det vanligaste metallelementet i jordskorpan kan aluminium reagera med vatten för att producera vätgas under vissa förhållanden, vilket är ett idealiskt vätgaslagringsmaterial. På grund av den enkla oxidationen av metallaluminiumytan för att bilda en tät aluminiumoxidfilm, vilket hämmar reaktionen, har forskare funnit att metallgallium med låg smältpunkt kan bilda en legering med aluminium, och gallium kan lösa upp ytan av aluminiumoxidbeläggningen, vilket gör att reaktionen kan fortskrida [4], och metallgallium kan återvinnas och återanvändas. Användningen av aluminiumgalliumlegeringsmaterial löser i hög grad problemet med snabb framställning och säker lagring och transport av vätgasenergi, vilket förbättrar säkerhet, ekonomi och miljöskydd.
4. Medicinska området
Gallium används ofta inom medicinen på grund av dess unika strålningsegenskaper, vilket kan användas för avbildning och hämning av maligna tumörer. Galliumföreningar har uppenbara svampdödande och antibakteriella aktiviteter och uppnår slutligen sterilisering genom att störa bakteriell metabolism. Galliumlegeringar kan användas för att tillverka termometrar, såsom galliumindiumtenntermometrar, en ny typ av flytande metalllegering som är säker, giftfri och miljövänlig, och kan användas för att ersätta giftiga kvicksilvertermometrar. Dessutom ersätter en viss andel galliumbaserad legering det traditionella silveramalgam och används i kliniska tillämpningar som ett nytt tandfyllningsmaterial.
3. Utsikter
Även om Kina är en av världens största producenter av gallium finns det fortfarande många problem inom Kinas galliumindustri. På grund av det låga innehållet av gallium som ett komplementmineral är galliumproduktionsföretagen spridda och det finns svaga länkar i industrikedjan. Gruvdriftsprocessen förorenar allvarliga miljöproblem och produktionskapaciteten för högrent gallium är relativt svag, främst beroende av export av grovt gallium till låga priser och import av raffinerat gallium till höga priser. Men med utvecklingen av vetenskap och teknik, förbättringen av människors levnadsstandard och den utbredda tillämpningen av gallium inom informations- och energiområdena kommer efterfrågan på gallium också att öka snabbt. Den relativt efterblivna produktionstekniken för högrent gallium kommer oundvikligen att begränsa Kinas industriella utveckling. Utveckling av ny teknik är av stor betydelse för att uppnå högkvalitativ utveckling av vetenskap och teknik i Kina.
Publiceringstid: 17 maj 2023