Istnieje rodzaj metalu, który jest bardzo magiczny. W życiu codziennym pojawia się w postaci płynnej, jak rtęć. Jeśli upuścisz go na puszkę, będziesz zaskoczony, gdy odkryjesz, że butelka staje się tak krucha jak papier i pęka po jednym uderzeniu. Ponadto upuszczenie go na metale, takie jak miedź i żelazo, również powoduje tę sytuację, którą można nazwać „metalowym terminatorem”. Co powoduje, że ma takie cechy? Dzisiaj wejdziemy w świat metalicznego galu.
1. Jaki jest pierwiastek?metal galowy
Gal należy do czwartej grupy IIIA układu okresowego pierwiastków. Temperatura topnienia czystego galu jest bardzo niska, wynosi zaledwie 29,78 ℃, ale temperatura wrzenia wynosi aż 2204,8 ℃. Latem większość galu występuje w postaci cieczy i może się stopić, gdy zostanie umieszczony w dłoni. Z powyższych właściwości możemy wywnioskować, że gal może powodować korozję innych metali właśnie ze względu na niską temperaturę topnienia. Ciekły gal tworzy stopy z innymi metalami, co jest magicznym zjawiskiem wspomnianym wcześniej. Jego zawartość w skorupie ziemskiej wynosi zaledwie około 0,001%, a jego istnienie zostało odkryte dopiero 140 lat temu. W 1871 roku rosyjski chemik Mendelejew podsumował układ okresowy pierwiastków i przewidział, że po cynku istnieje również pierwiastek poniżej aluminium, który ma podobne właściwości do aluminium i jest nazywany „pierwiastkiem podobnym do aluminium”. W 1875 roku, gdy francuski naukowiec Bowabordland badał prawa linii widmowych pierwiastków metalicznych z tej samej rodziny, odkrył dziwne pasmo światła w sfalerycie (ZnS), więc znalazł ten „pierwiastek podobny do glinu” i nazwał go na cześć swojej ojczyzny, Francji (Galii, łac. Gallia), przy czym symbol Ga reprezentował ten pierwiastek. W ten sposób gal stał się pierwszym pierwiastkiem przewidzianym w historii odkryć pierwiastków chemicznych, a następnie znalazł potwierdzony pierwiastek w eksperymentach.
Gal jest głównie dystrybuowany w Chinach, Niemczech, Francji, Australii, Kazachstanie i innych krajach świata, z czego chińskie rezerwy galu stanowią ponad 95% całości światowych, głównie dystrybuowanych w Shanxi, Guizhou, Junnan, Henan, Guangxi i innych miejscach [1]. Pod względem rodzaju dystrybucji, Shanxi, Shandong i inne miejsca występują głównie w boksycie, Junnan i inne miejsca w rudzie cyny, a Hunan i inne miejsca występują głównie w sfalerycie. Na początku odkrywania metalu galu, ze względu na brak odpowiednich badań nad jego zastosowaniem, ludzie zawsze wierzyli, że jest to metal o niskiej użyteczności. Jednak wraz z ciągłym rozwojem technologii informacyjnej i erą nowej energii i high-tech, metal galu zyskał uwagę jako ważny materiał w dziedzinie informacji, a jego popyt również znacznie wzrósł.
2. Obszary zastosowań galu metalicznego
1. Pole półprzewodników
Gal jest głównie stosowany w dziedzinie materiałów półprzewodnikowych, przy czym materiał z arsenku galu (GaAs) jest najszerzej stosowany, a technologia jest najbardziej dojrzała. Jako nośnik rozpowszechniania informacji, materiały półprzewodnikowe odpowiadają za 80% do 85% całkowitego zużycia galu, głównie stosowanego w komunikacji bezprzewodowej. Wzmacniacze mocy z arsenku galu mogą zwiększyć prędkość transmisji komunikacji do 100 razy w porównaniu z sieciami 4G, co może odegrać ważną rolę w wejściu w erę 5G. Ponadto gal może być stosowany jako medium rozpraszające ciepło w zastosowaniach półprzewodnikowych ze względu na swoje właściwości termiczne, niską temperaturę topnienia, wysoką przewodność cieplną i dobre parametry przepływu. Zastosowanie galu metalicznego w postaci stopu na bazie galu w materiałach interfejsu termicznego może poprawić zdolność rozpraszania ciepła i wydajność podzespołów elektronicznych.
2. Ogniwa słoneczne
Rozwój ogniw słonecznych przeszedł od wczesnych monokrystalicznych ogniw krzemowych do polikrystalicznych ogniw cienkowarstwowych z krzemu. Ze względu na wysoki koszt polikrystalicznych ogniw cienkowarstwowych z krzemu, naukowcy odkryli ogniwa cienkowarstwowe miedziowo-indowo-galowo-selenowe (CIGS) w materiałach półprzewodnikowych [3]. Ogniwa CIGS mają zalety niskich kosztów produkcji, produkcji wielkoseryjnej i wysokiej szybkości konwersji fotoelektrycznej, dzięki czemu mają szerokie perspektywy rozwoju. Po drugie, ogniwa słoneczne z arsenku galu mają znaczące zalety w zakresie wydajności konwersji w porównaniu z ogniwami cienkowarstwowymi wykonanymi z innych materiałów. Jednak ze względu na wysoki koszt produkcji materiałów z arsenku galu, są one obecnie wykorzystywane głównie w przemyśle lotniczym i wojskowym.
3. Energia wodorowa
Wraz ze wzrostem świadomości kryzysu energetycznego na całym świecie, ludzie starają się zastąpić nieodnawialne źródła energii, z których wyróżnia się energia wodorowa. Jednak wysoki koszt i niskie bezpieczeństwo magazynowania i transportu wodoru utrudniają rozwój tej technologii. Jako najbardziej rozpowszechniony pierwiastek metaliczny w skorupie ziemskiej, aluminium może reagować z wodą, wytwarzając wodór w określonych warunkach, co jest idealnym materiałem do magazynowania wodoru. Jednak ze względu na łatwe utlenianie powierzchni metalu aluminium w celu utworzenia gęstej warstwy tlenku glinu, która hamuje reakcję, naukowcy odkryli, że metaliczny gal o niskiej temperaturze topnienia może tworzyć stop z aluminium, a gal może rozpuszczać powłokę tlenku glinu na powierzchni, umożliwiając zajście reakcji [4], a metaliczny gal można poddać recyklingowi i ponownie wykorzystać. Zastosowanie materiałów ze stopu aluminium i galu w znacznym stopniu rozwiązuje problem szybkiego przygotowania i bezpiecznego magazynowania 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 mogą być wykorzystywane do obrazowania i hamowania nowotworów złośliwych. Związki galu mają oczywiste właściwości przeciwgrzybicze i przeciwbakteryjne, a ostatecznie osiągają sterylizację poprzez zakłócanie metabolizmu bakterii. Stopy galu mogą być wykorzystywane do produkcji termometrów, takich jak termometry galowo-indowo-cynowe, nowy rodzaj stopu metali ciekłych, który jest bezpieczny, nietoksyczny i przyjazny dla środowiska, i może być stosowany w celu 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. Perspektywy
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 w łańcuchu przemysłowym występują słabe ogniwa. Proces wydobywczy powoduje poważne zanieczyszczenie środowiska, a zdolność produkcyjna galu o wysokiej czystości jest stosunkowo słaba, polegając głównie na eksporcie galu grubego po niskich cenach i imporcie galu rafinowanego po wysokich cenach. Jednak wraz z rozwojem nauki i technologii, poprawą standardów życia ludzi i powszechnym zastosowaniem galu w dziedzinie informacji i energii, popyt na gal również szybko wzrośnie. Stosunkowo zacofana technologia produkcji galu o wysokiej czystości nieuchronnie ograniczy rozwój przemysłowy Chin. Opracowywanie nowych technologii ma ogromne znaczenie dla osiągnięcia wysokiej jakości rozwoju nauki i technologii w Chinach.
Czas publikacji: 17-05-2023