On olemassa eräänlainen metalli, jolla on hyvin maaginen luonne. Arkielämässä se esiintyy nestemäisessä muodossa kuten elohopea. Jos pudotat sitä tölkin päälle, yllätyt huomatessasi, että pullosta tulee yhtä hauras kuin paperi ja se rikkoutuu pelkästä tökkäyksestä. Lisäksi sen pudottaminen metallien, kuten kuparin ja raudan, päälle aiheuttaa myös tämän tilanteen, jota voidaan kutsua "metalliterminaattoriksi". Mikä aiheuttaa sen, että sillä on tällaisia ominaisuuksia? Tänään siirrymme galliumin maailmaan.
1. Mikä alkuaine ongalliummetalli
Gallium kuuluu alkuaineiden jaksollisen järjestelmän neljännen periodin IIIA-ryhmään. Puhtaan galliumin sulamispiste on hyvin alhainen, vain 29,78 ℃, mutta kiehumispiste on jopa 2204,8 ℃. Kesällä se on enimmäkseen nestemäisessä muodossa ja sulaa kämmenelle asettamalla. Yllä olevista ominaisuuksista voimme ymmärtää, että gallium voi syövyttää muita metalleja juuri alhaisen sulamispisteensä vuoksi. Nestemäinen gallium muodostaa seoksia muiden metallien kanssa, mikä on aiemmin mainittu maaginen ilmiö. Sen pitoisuus maankuoressa on vain noin 0,001 %, ja sen olemassaolo löydettiin vasta 140 vuotta sitten. Vuonna 1871 venäläinen kemisti Mendelejev tiivisti alkuaineiden jaksollisen järjestelmän ja ennusti, että sinkin jälkeen alumiinin alapuolella on myös alkuaine, jolla on samanlaisia ominaisuuksia kuin alumiinilla ja jota kutsutaan "alumiinin kaltaiseksi alkuaineeksi". Vuonna 1875, kun ranskalainen tiedemies Bowabordland tutki saman alkuaineperheen metallien spektriviivalakeja, hän löysi oudon valovyöhykkeen sfaleriitista (ZnS). Niinpä hän löysi tämän "alumiinin kaltaisen alkuaineen" ja nimesi sen sitten kotimaansa Ranskan (Gallia, latinaksi Gallia) mukaan käyttäen symbolia Ga edustamaan tätä alkuainetta. Näin galliumista tuli ensimmäinen alkuainelöytöjen historiassa ennustettu alkuaine, ja sitten alkuaine löydettiin kokeissa.
Galliumia esiintyy pääasiassa Kiinassa, Saksassa, Ranskassa, Australiassa, Kazakstanissa ja muissa maailman maissa. Kiinan galliumvarannot kattavat yli 95 % maailman kokonaisvaroista, ja ne sijaitsevat pääasiassa Shanxissa, Guizhoussa, Yunnanissa, Henanissa, Guangxissa ja muissa paikoissa [1]. Levinneisyystyypin osalta Shanxissa, Shandongissa ja muissa paikoissa on pääasiassa bauksiittia, Yunnanissa ja muissa paikoissa tinamalmia, ja Hunanissa ja muissa paikoissa pääasiassa sfaleriittia. Galliummetallin löytämisen alussa ihmiset ovat aina uskoneet sen olevan vaikeasti käytettävä metalli, koska sen sovelluksista ei ollut vastaavaa tutkimusta. Tietotekniikan jatkuvan kehityksen ja uuden energian ja huipputeknologian aikakauden myötä galliummetalli on kuitenkin saanut huomiota tärkeänä materiaalina tietotekniikan alalla, ja sen kysyntä on myös kasvanut huomattavasti.
2, Galliumin käyttöalueet
1. Puolijohdekenttä
Galliumia käytetään pääasiassa puolijohdemateriaalien alalla, ja galliumarsenidi (GaAs) on käytetyin materiaali ja teknologia kehittynein. Tiedonvälitysmateriaalina puolijohdemateriaalit muodostavat 80–85 % galliumin kokonaiskulutuksesta, ja sitä käytetään pääasiassa langattomassa viestinnässä. Galliumarseniditehovahvistimet voivat lisätä tiedonsiirron nopeutta jopa 100-kertaiseksi 4G-verkkoihin verrattuna, mikä voi olla tärkeässä roolissa 5G-aikakauteen siirtymisessä. Lisäksi galliumia voidaan käyttää lämmönpoistoväliaineena puolijohdesovelluksissa sen lämpöominaisuuksien, alhaisen sulamispisteen, korkean lämmönjohtavuuden ja hyvän virtauskyvyn ansiosta. Galliummetallin käyttö galliumpohjaisen seoksen muodossa lämpörajapintamateriaaleissa voi parantaa elektronisten komponenttien lämmönpoistokykyä ja tehokkuutta.
2. Aurinkokennot
Aurinkokennojen kehitys on siirtynyt varhaisista monokiteisistä piikennoista polykiteisiin piiohutkalvokennoihin. Polykiteisten piiohutkalvokennojen korkeiden kustannusten vuoksi tutkijat ovat löytäneet puolijohdemateriaaleista kupari-indium-gallium-seleeni-ohutkalvokennoja (CIGS) [3]. CIGS-kennojen etuna on alhaiset tuotantokustannukset, suuret erät ja korkea valosähköinen konversioaste, joten niillä on laajat kehitysnäkymät. Toiseksi galliumarsenidiaurinkokennoilla on merkittäviä etuja konversiotehokkuudessa verrattuna muista materiaaleista valmistettuihin ohutkalvokennoihin. Galliumarsenidimateriaalien korkeiden tuotantokustannusten vuoksi niitä käytetään kuitenkin tällä hetkellä pääasiassa ilmailu- ja sotilasaloilla.
3. Vetyenergia
Energiakriisin tietoisuuden kasvaessa kaikkialla maailmassa ihmiset pyrkivät korvaamaan uusiutumattomia energialähteitä, joista vetyenergia erottuu edukseen. Vedyn varastoinnin ja kuljetuksen korkeat kustannukset ja heikko turvallisuus kuitenkin estävät tämän teknologian kehitystä. Maankuoren yleisimpänä metallialkuaineena alumiini voi tietyissä olosuhteissa reagoida veden kanssa ja tuottaa vetyä, mikä on ihanteellinen vedyn varastointimateriaali. Alumiinin pinnan helppo hapettuminen muodostaa tiheän alumiinioksidikalvon, joka estää reaktion. Tutkijat ovat kuitenkin havainneet, että matalan sulamispisteen omaava galliummetalli voi muodostaa seoksen alumiinin kanssa, ja gallium voi liuottaa pinnan alumiinioksidipinnoitteen, jolloin reaktio voi jatkua [4], ja galliummetalli voidaan kierrättää ja käyttää uudelleen. Alumiini-galliumseosmateriaalien käyttö ratkaisee merkittävästi vetyenergian nopean valmistuksen, turvallisen varastoinnin ja kuljetuksen ongelman, parantaen turvallisuutta, taloudellisuutta ja ympäristönsuojelua.
4. Lääketieteen ala
Galliumia käytetään yleisesti lääketieteen alalla sen ainutlaatuisten säteilyominaisuuksien vuoksi, joita voidaan käyttää pahanlaatuisten kasvainten kuvantamiseen ja estämiseen. Galliumyhdisteillä on ilmeisiä sieni- ja bakteereja tappavia vaikutuksia, ja ne saavuttavat lopulta steriloinnin häiritsemällä bakteerien aineenvaihduntaa. Galliumseoksia voidaan käyttää lämpömittareiden, kuten gallium-indium-tinalämpömittareiden, valmistukseen. Nämä uudentyyppiset nestemäiset metalliseokset ovat turvallisia, myrkyttömiä ja ympäristöystävällisiä, ja niitä voidaan käyttää korvaamaan myrkyllisiä elohopealämpömittareita. Lisäksi tietty osa galliumpohjaisesta seoksesta korvaa perinteisen hopea-amalgaamin ja sitä käytetään kliinisissä sovelluksissa uutena hammaspaikkausmateriaalina.
3. Näkymät
Vaikka Kiina on yksi maailman tärkeimmistä galliumin tuottajista, Kiinan galliumisteollisuudessa on edelleen monia ongelmia. Koska galliumin pitoisuus rinnakkaismineraalina on alhainen, galliumin tuotantoyritykset ovat hajallaan, ja teollisuusketjussa on heikkoja lenkkejä. Kaivosprosessi aiheuttaa vakavaa ympäristön saastumista, ja erittäin puhtaan galliumin tuotantokapasiteetti on suhteellisen heikko, ja se perustuu pääasiassa karkean galliumin vientiin edulliseen hintaan ja jalostetun galliumin tuontiin korkeaan hintaan. Tieteen ja teknologian kehityksen, ihmisten elintason parantumisen ja galliumin laajan käytön myötä tiedon ja energian alhaisilla hinnoilla galliumin kysyntä kasvaa kuitenkin nopeasti. Erittäin puhtaan galliumin suhteellisen takapajuinen tuotantoteknologia rajoittaa väistämättä Kiinan teollista kehitystä. Uusien teknologioiden kehittäminen on erittäin tärkeää Kiinan tieteen ja teknologian korkealaatuisen kehityksen saavuttamiseksi.
Julkaisun aika: 17. toukokuuta 2023