Istnieje rodzaj metalu, który jest bardzo magiczny. W życiu codziennym występuje w postaci płynnej, takiej jak rtęć. Jeśli upuścisz go na puszkę, ze zdziwieniem odkryjesz, że butelka staje się delikatna jak papier i pęka pod jednym szturchnięciem. Ponadto upuszczenie go na metale takie jak miedź i żelazo również powoduje taką sytuację, którą można nazwać „metalowym terminatorem”. Co powoduje, że ma takie cechy? Dzisiaj wkroczymy w świat metalicznego galu.
1. Jaki to elementgal metaliczny
Pierwiastek galu znajduje się w czwartej grupie okresu IIIA układu okresowego pierwiastków. Temperatura topnienia czystego galu jest bardzo niska, tylko 29,78 ℃, ale temperatura wrzenia sięga 2204,8 ℃. Latem większość występuje w postaci cieczy i można ją stopić po umieszczeniu w dłoni. Z powyższych właściwości możemy zrozumieć, że gal może powodować korozję innych metali właśnie ze względu na jego niską temperaturę topnienia. Ciekły gal tworzy stopy z innymi metalami, co jest magicznym zjawiskiem, o którym wspominaliśmy wcześniej. Jego zawartość w skorupie ziemskiej wynosi zaledwie około 0,001%, a jego istnienie odkryto dopiero 140 lat temu. W 1871 roku rosyjski chemik Mendelejew podsumował układ okresowy pierwiastków i przewidział, że po cynku pod aluminium znajduje się także pierwiastek, który ma podobne właściwości do aluminium i nazywany jest „pierwiastkiem podobnym do aluminium”. W 1875 roku, kiedy francuski naukowiec Bowabordland badał prawa linii widmowych elementów metalowych z tej samej rodziny, znalazł dziwne pasmo światła w sfalerycie (ZnS), więc znalazł ten „pierwiastek podobny do aluminium”, a następnie nazwał go na cześć swojej ojczyzny Francja (Gaul, łac. Gallia), gdzie symbol Ga oznaczał ten pierwiastek, zatem gal stał się pierwszym pierwiastkiem przepowiedzianym w historii odkrycia pierwiastka chemicznego, a następnie znalazł pierwiastek potwierdzony w eksperymentach.
Gal jest dystrybuowany głównie w Chinach, Niemczech, Francji, Australii, Kazachstanie i innych krajach na świecie, z czego chińskie rezerwy galu stanowią ponad 95% całości na świecie, głównie dystrybuowane w Shanxi, Guizhou, Yunnan, Henan, Guangxi i innych miejscach [1]. Jeśli chodzi o rodzaj dystrybucji, Shanxi, Shandong i inne miejsca występują głównie w boksycie, Yunnan i inne miejsca w rudach cyny, a Hunan i inne miejsca występują głównie w sfalerycie. W początkach odkrycia galu metalicznego, ze względu na brak odpowiednich badań nad jego zastosowaniem, ludzie zawsze uważali, że jest to metal o małej przydatności. Jednak wraz z ciągłym rozwojem technologii informatycznych oraz erą nowej energii i zaawansowanych technologii, gal metaliczny zyskał uwagę jako ważny materiał w dziedzinie informacji, a jego zapotrzebowanie również znacznie wzrosło.
2. Obszary zastosowań metalicznego galu
1. Pole półprzewodnikowe
Gal jest stosowany głównie w materiałach półprzewodnikowych, przy czym najpowszechniej stosowany jest arsenek galu (GaAs), a technologia jest najbardziej zaawansowana. Jako nośnik rozpowszechniania informacji, materiały półprzewodnikowe stanowią od 80% do 85% całkowitego zużycia galu, wykorzystywanego głównie w komunikacji bezprzewodowej. Wzmacniacze mocy z arsenku galu mogą zwiększyć prędkość transmisji komunikacyjnej do 100 razy większą niż w sieciach 4G, co może odegrać ważną rolę w wejściu w erę 5G. Co więcej, gal może być stosowany jako środek rozpraszający ciepło w zastosowaniach półprzewodnikowych ze względu na jego właściwości termiczne, niską temperaturę topnienia, wysoką przewodność cieplną i dobre właściwości przepływu. Zastosowanie galu metalicznego w postaci stopu na bazie galu w materiałach interfejsu termicznego może poprawić zdolność rozpraszania ciepła i wydajność elementów elektronicznych.
2. Ogniwa słoneczne
Rozwój ogniw słonecznych przeszedł od wczesnych ogniw słonecznych z krzemu monokrystalicznego do ogniw cienkowarstwowych z krzemu polikrystalicznego. Ze względu na wysoki koszt cienkowarstwowych ogniw z krzemu polikrystalicznego naukowcy odkryli cienkowarstwowe ogniwa miedziowo-indowo-galowo-selenowe (CIGS) w materiałach półprzewodnikowych [3]. Ogniwa CIGS mają zalety niskich kosztów produkcji, produkcji wielkoseryjnej i wysokiego współczynnika konwersji fotoelektrycznej, dzięki czemu mają szerokie perspektywy rozwoju. Po drugie, ogniwa słoneczne z arsenku galu mają znaczną przewagę pod względem wydajności konwersji w porównaniu z ogniwami cienkowarstwowymi wykonanymi z innych materiałów. Jednak ze względu na wysokie koszty produkcji materiałów z arsenku galu, są one obecnie stosowane głównie w przemyśle lotniczym i wojskowym.
3. Energia wodorowa
Wraz ze wzrostem świadomości kryzysu energetycznego na całym świecie, ludzie dążą do zastąpienia nieodnawialnych źródeł energii, z których wyróżnia się energia wodorowa. Jednak wysoki koszt i niski poziom bezpieczeństwa magazynowania i transportu wodoru utrudniają rozwój tej technologii. Jako najobficiej występujący pierwiastek metaliczny w skorupie aluminium może reagować z wodą, tworząc w pewnych warunkach wodór, który jest idealnym materiałem do magazynowania wodoru, jednak ze względu na łatwe utlenianie powierzchni metalicznego aluminium, tworząc gęstą warstwę tlenku glinu , który hamuje reakcję, naukowcy odkryli, że metaliczny gal o niskiej temperaturze topnienia może tworzyć stop z aluminium, a gal może rozpuszczać powierzchniową powłokę tlenku glinu, umożliwiając przebieg reakcji [4], a metaliczny gal można poddać recyklingowi i ponownie wykorzystać . Zastosowanie materiałów ze stopów aluminium i galu w znacznym stopniu rozwiązuje problem szybkiego przygotowania oraz bezpiecznego przechowywania i transportu energii wodorowej, poprawiając bezpieczeństwo, ekonomię i ochronę środowiska.
4. Dziedzina medycyny
Gal jest powszechnie stosowany w medycynie ze względu na swoje unikalne właściwości radiacyjne, które można wykorzystać do obrazowania i hamowania nowotworów złośliwych. Związki galu mają oczywiste działanie przeciwgrzybicze i przeciwbakteryjne i ostatecznie osiągają sterylizację poprzez zakłócanie metabolizmu bakterii. Stopy galu można stosować do produkcji termometrów, takich jak termometry cynowo-galowo-indowe – nowy rodzaj ciekłego stopu metalu, który jest bezpieczny, nietoksyczny i przyjazny dla środowiska i może być stosowany do zastąpienia toksycznych termometrów rtęciowych. Ponadto pewna część stopu na bazie galu zastępuje tradycyjny amalgamat srebra i jest wykorzystywana w zastosowaniach klinicznych jako nowy materiał do wypełnień stomatologicznych.
3. Perspektywa
Chociaż Chiny są jednym z głównych producentów galu na świecie, w chińskim przemyśle galowym nadal istnieje wiele problemów. Ze względu na niską zawartość galu jako minerału towarzyszącego przedsiębiorstwa produkujące gal są rozproszone, a łańcuch przemysłowy ma słabe ogniwa. Proces wydobywczy powoduje poważne zanieczyszczenie środowiska, a zdolność produkcyjna galu o wysokiej czystości jest stosunkowo słaba i opiera się głównie na eksporcie galu gruboziarnistego po niskich cenach i imporcie galu rafinowanego po wysokich cenach. Jednakże wraz z rozwojem nauki i technologii, poprawą poziomu życia ludzi oraz powszechnym zastosowaniem galu w dziedzinie informacji i energii, zapotrzebowanie na gal również szybko wzrośnie. Stosunkowo zacofana technologia produkcji galu o wysokiej czystości nieuchronnie będzie ograniczać rozwój przemysłowy Chin. Rozwój nowych technologii ma ogromne znaczenie dla osiągnięcia wysokiej jakości rozwoju nauki i technologii w Chinach.
Czas publikacji: 17 maja 2023 r