Есть вид металла, который очень волшебный. В повседневной жизни он появляется в жидкой форме, как ртуть. Если вы уроните его на банку, вы будете удивлены, обнаружив, что бутылка станет такой же хрупкой, как бумага, и сломается от одного лишь толчка. Кроме того, падение его на металлы, такие как медь и железо, также вызывает эту ситуацию, которую можно назвать «металлическим терминатором». Что заставляет его иметь такие характеристики? Сегодня мы войдем в мир металлического галлия.
1. Какой элементгаллий металлический
Галлий находится в четвертом периоде IIIA группы периодической системы элементов. Температура плавления чистого галлия очень низкая, всего 29,78 ℃, но температура кипения достигает 2204,8 ℃. Летом большая его часть существует в виде жидкости и может быть расплавлена, если поместить ее на ладонь. Из приведенных выше свойств мы можем понять, что галлий может вызывать коррозию других металлов именно из-за своей низкой температуры плавления. Жидкий галлий образует сплавы с другими металлами, что является магическим явлением, упомянутым ранее. Его содержание в земной коре составляет всего около 0,001%, и его существование было обнаружено только 140 лет назад. В 1871 году русский химик Менделеев обобщил периодическую таблицу элементов и предсказал, что после цинка есть также элемент под алюминием, который имеет схожие с алюминием свойства и называется «алюминиеподобным элементом». В 1875 году, когда французский ученый Боваборланд изучал законы спектральных линий металлических элементов того же семейства, он обнаружил странную светлую полосу в сфалерите (ZnS), таким образом, он обнаружил этот «алюминиеподобный элемент», а затем назвал его в честь своей родины, Франции (Галлии, лат. Gallia), с символом Ga для обозначения этого элемента, так что галлий стал первым элементом, предсказанным в истории открытия химических элементов, а затем подтвержденным экспериментально.
Галлий в основном распространен в Китае, Германии, Франции, Австралии, Казахстане и других странах мира, из которых запасы галлия в Китае составляют более 95% от общего мирового объема, в основном распределены в Шаньси, Гуйчжоу, Юньнани, Хэнани, Гуанси и других местах [1]. С точки зрения типа распределения, Шаньси, Шаньдун и другие места в основном существуют в бокситах, Юньнань и другие места в оловянной руде, а Хунань и другие места в основном существуют в сфалерите. В начале открытия металлического галлия из-за отсутствия соответствующих исследований по его применению люди всегда считали, что это металл с низкой пригодностью к использованию. Однако с непрерывным развитием информационных технологий и эрой новой энергии и высоких технологий металлический галлий привлек внимание как важный материал в информационной сфере, и его спрос также значительно возрос.
2. Области применения металлического галлия
1. Полупроводниковая область
Галлий в основном используется в области полупроводниковых материалов, причем материал арсенид галлия (GaAs) является наиболее широко используемым, а технология является наиболее зрелой. Как носитель распространения информации, полупроводниковые материалы составляют 80–85 % от общего потребления галлия, в основном используемого в беспроводной связи. Усилители мощности на основе арсенида галлия могут увеличить скорость передачи данных в 100 раз по сравнению с сетями 4G, что может сыграть важную роль в переходе в эпоху 5G. Кроме того, галлий может использоваться в качестве среды рассеивания тепла в полупроводниковых приложениях благодаря его тепловым характеристикам, низкой температуре плавления, высокой теплопроводности и хорошим характеристикам потока. Применение металлического галлия в виде сплава на основе галлия в материалах теплопроводности может улучшить способность рассеивания тепла и эффективность электронных компонентов.
2. Солнечные элементы
Развитие солнечных элементов прошло путь от ранних монокристаллических кремниевых солнечных элементов до поликристаллических кремниевых тонкопленочных элементов. Из-за высокой стоимости поликристаллических кремниевых тонкопленочных элементов исследователи обнаружили медно-индиево-галлиевые тонкопленочные элементы (CIGS) в полупроводниковых материалах [3]. Ячейки CIGS обладают такими преимуществами, как низкая стоимость производства, крупносерийное производство и высокая скорость фотоэлектрического преобразования, что обеспечивает широкие перспективы развития. Во-вторых, арсенид-галлиевые солнечные элементы имеют значительные преимущества в эффективности преобразования по сравнению с тонкопленочными элементами из других материалов. Однако из-за высокой стоимости производства материалов из арсенида галлия они в настоящее время в основном используются в аэрокосмической и военной областях.
3. Водородная энергетика
С ростом осведомленности об энергетическом кризисе во всем мире люди стремятся заменить невозобновляемые источники энергии, из которых выделяется водородная энергия. Однако высокая стоимость и низкая безопасность хранения и транспортировки водорода препятствуют развитию этой технологии. Как наиболее распространенный металлический элемент в земной коре, алюминий может реагировать с водой с образованием водорода при определенных условиях, что является идеальным материалом для хранения водорода. Однако из-за легкого окисления поверхности металлического алюминия с образованием плотной пленки оксида алюминия, которая ингибирует реакцию, исследователи обнаружили, что легкоплавкий металлический галлий может образовывать сплав с алюминием, а галлий может растворять поверхностное покрытие оксида алюминия, позволяя реакции протекать [4], а металлический галлий можно перерабатывать и использовать повторно. Использование материалов из алюминиево-галлиевого сплава в значительной степени решает проблему быстрого приготовления и безопасного хранения и транспортировки водородной энергии, повышая безопасность, экономичность и защиту окружающей среды.
4. Медицинская сфера
Галлий широко используется в медицинской сфере из-за его уникальных радиационных свойств, которые могут использоваться для визуализации и подавления злокачественных опухолей. Соединения галлия обладают очевидными противогрибковыми и антибактериальными свойствами и в конечном итоге достигают стерилизации, вмешиваясь в метаболизм бактерий. А сплавы галлия могут использоваться для изготовления термометров, таких как термометры из галлия, индия и олова, новый тип жидкометаллического сплава, который является безопасным, нетоксичным и экологически чистым, и может использоваться для замены токсичных ртутных термометров. Кроме того, определенная доля сплава на основе галлия заменяет традиционную серебряную амальгаму и используется в клинических применениях в качестве нового стоматологического пломбировочного материала.
3. Перспективы
Хотя Китай является одним из основных производителей галлия в мире, в галлиевой промышленности Китая все еще существует много проблем. Из-за низкого содержания галлия как сопутствующего минерала предприятия по производству галлия разбросаны, и в промышленной цепочке имеются слабые звенья. Процесс добычи серьезно загрязняет окружающую среду, а производственные мощности высокочистого галлия относительно слабы, в основном полагаясь на экспорт грубого галлия по низким ценам и импорт очищенного галлия по высоким ценам. Однако с развитием науки и техники, повышением уровня жизни людей и широким применением галлия в областях информации и энергетики спрос на галлий также будет быстро расти. Относительно отсталая технология производства высокочистого галлия неизбежно будет иметь ограничения для промышленного развития Китая. Разработка новых технологий имеет большое значение для достижения высококачественного развития науки и техники в Китае.
Время публикации: 17 мая 2023 г.