Є вид металу, який є дуже магічним. У повсякденному житті він з’являється в рідкому вигляді, як ртуть. Якщо ви впустите його на банку, ви з подивом виявите, що пляшка стає крихкою, як папір, і розіб’ється від одного тичка. Крім того, потрапляння його на такі метали, як мідь і залізо, також викликає цю ситуацію, яку можна назвати «термінатором металу». Що спричиняє такі характеристики? Сьогодні ми потрапимо у світ металевого галію.
1、Який елементметалевий галій
Елемент Галій знаходиться в четвертому періоді IIIA групи в періодичній системі елементів. Точка плавлення чистого галію дуже низька, лише 29,78 ℃, але температура кипіння досягає 2204,8 ℃. Влітку більшість його існує у вигляді рідини, і його можна розплавити, якщо покласти його на долоню. З наведених вище властивостей ми можемо зрозуміти, що галій може роз'їдати інші метали саме через його низьку температуру плавлення. Рідкий галій утворює сплави з іншими металами, що є магічним явищем, згаданим раніше. Його вміст у земній корі становить лише близько 0,001%, і його існування було виявлено лише 140 років тому. У 1871 році російський хімік Менделєєв узагальнив періодичну таблицю елементів і передбачив, що після цинку також є елемент нижче алюмінію, який має властивості, подібні до алюмінію, і називається «алюмінієвим елементом». У 1875 році, коли французький вчений Бовабордланд вивчав закони спектральних ліній металевих елементів тієї ж родини, він виявив дивну світлову смугу в сфалериті (ZnS), тому він знайшов цей «алюмінієподібний елемент», а потім назвав його на честь своєї батьківщини. Франція (Галлія, лат. Gallia), із символом Ga для представлення цього елемента, тому галій став першим передбаченим елементом в історії відкриття хімічних елементів, а потім знайшов підтверджений елемент в експериментах.
Галій в основному поширений у Китаї, Німеччині, Франції, Австралії, Казахстані та інших країнах світу, з яких запаси галію в Китаї складають понад 95% від загального світового обсягу, в основному поширені в Шаньсі, Гуйчжоу, Юньнань, Хенань, Гуансі та інших місцях [1]. З точки зору типу розподілу, Шаньсі, Шаньдун та інші місця в основному існують в бокситах, Юньнань та інші місця в олов'яній руді, а Хунань та інші місця в основному існують в сфалериті. На початку відкриття металу галію, через відсутність відповідних досліджень щодо його застосування, люди завжди вважали, що це метал з низькою придатністю до використання. Проте з безперервним розвитком інформаційних технологій та епохою нової енергії та високих технологій метал галій привернув увагу як важливий матеріал в інформаційній сфері, і попит на нього також значно зріс.
2、 Сфери застосування металевого галію
1. Напівпровідникове поле
Галій в основному використовується в області напівпровідникових матеріалів, причому арсенід галію (GaAs) є найпоширенішим матеріалом, а технологія є найбільш зрілою. Як носій поширення інформації на напівпровідникові матеріали припадає від 80% до 85% загального споживання галію, який в основному використовується в бездротовому зв'язку. Підсилювачі потужності з арсеніду галію можуть збільшити швидкість передачі даних у 100 разів, ніж у мережах 4G, що може зіграти важливу роль у вступі в еру 5G. Крім того, галій може бути використаний як середовище для розсіювання тепла в напівпровідникових додатках завдяки його тепловим характеристикам, низькій температурі плавлення, високій теплопровідності та хорошим потокам. Застосування металевого галію у вигляді сплаву на основі галію в матеріалах теплового інтерфейсу може покращити здатність розсіювання тепла та ефективність електронних компонентів.
2. Сонячні елементи
Розвиток сонячних елементів пішов від ранніх монокристалічних кремнієвих сонячних елементів до тонкоплівкових полікристалічних кремнієвих елементів. Через високу вартість полікристалічних кремнієвих тонкоплівкових елементів дослідники виявили мідно-індійно-галій-селенові тонкоплівкові елементи (CIGS) у напівпровідникових матеріалах [3]. Комірки CIGS мають такі переваги, як низькі витрати на виробництво, виробництво великої партії та високий коефіцієнт фотоелектричного перетворення, тому мають широкі перспективи розвитку. По-друге, сонячні елементи з арсеніду галію мають значні переваги в ефективності перетворення порівняно з тонкоплівковими елементами, виготовленими з інших матеріалів. Однак через високу вартість виробництва матеріалів арсеніду галію вони в даний час в основному використовуються в аерокосмічній і військовій сферах.
3. Воднева енергетика
Із зростанням усвідомлення енергетичної кризи в усьому світі люди прагнуть замінити невідновлювані джерела енергії, серед яких виділяється воднева енергетика. Однак висока вартість і низька безпека зберігання і транспортування водню заважають розвитку цієї технології. Будучи найпоширенішим металевим елементом у земній корі, алюміній може реагувати з водою з утворенням водню за певних умов, що є ідеальним матеріалом для зберігання водню. Однак завдяки легкому окисленню поверхні металевого алюмінію з утворенням щільної плівки оксиду алюмінію , який гальмує реакцію, дослідники виявили, що метал з низькою температурою плавлення галій може утворювати сплав з алюмінієм, а галій може розчиняти поверхневий оксид алюмінію покриття, що дозволяє протікати реакції [4], а металевий галій можна переробити та повторно використати. Використання алюмінієво-галієвих сплавів значною мірою вирішує проблему швидкої підготовки та безпечного зберігання та транспортування водневої енергії, підвищення безпеки, економічності та захисту навколишнього середовища.
4. Медична сфера
Галій широко використовується в медицині завдяки своїм унікальним радіаційним властивостям, які можна використовувати для візуалізації та інгібування злоякісних пухлин. Сполуки галію мають очевидну протигрибкову та антибактеріальну дію, і в кінцевому підсумку досягають стерилізації, втручаючись у метаболізм бактерій. А галієві сплави можна використовувати для виготовлення термометрів, таких як галієво-індієво-олов’яні термометри, новий тип сплаву рідкого металу, який є безпечним, нетоксичним і екологічно чистим, і може використовуватися для заміни токсичних ртутних термометрів. Крім того, певна частка сплаву на основі галію замінює традиційну амальгаму срібла та використовується в клінічних цілях як новий зубний пломбувальний матеріал.
3、 Outlook
Незважаючи на те, що Китай є одним із головних виробників галію у світі, у галієвій промисловості Китаю все ще є багато проблем. Через низький вміст галію як мінералу-супутника підприємства з виробництва галію розпорошені, є слабкі ланки промислового ланцюга. Процес видобутку має серйозне забруднення навколишнього середовища, а виробничі потужності високочистого галію є відносно слабкими, в основному покладаючись на експорт грубого галію за низькими цінами та імпорт очищеного галію за високими цінами. Проте з розвитком науки і техніки, підвищенням рівня життя людей і широким застосуванням галію в сферах інформації та енергетики попит на галій також швидко зростатиме. Відносно відстала технологія виробництва високочистого галію неминуче матиме обмеження для промислового розвитку Китаю. Розробка нових технологій має велике значення для досягнення якісного розвитку науки і техніки в Китаї.
Час публікації: 17 травня 2023 р