Існує вид металу, який має дуже магічні властивості. У повсякденному житті він зустрічається в рідкому вигляді, як ртуть. Якщо ви кинете його на банку, ви здивуєтеся, виявивши, що пляшка стає такою ж крихкою, як папір, і розіб'ється від одного тикання. Крім того, кидання на такі метали, як мідь і залізо, також спричиняє цю ситуацію, яку можна назвати «металевим термінатором». Що спричиняє такі характеристики? Сьогодні ми зануримося у світ металу галію.
1. Який елемент?металевий галій
Галій належить до четвертого періоду IIIA групи періодичної таблиці елементів. Температура плавлення чистого галію дуже низька, лише 29,78 ℃, але температура кипіння досягає 2204,8 ℃. Влітку більша його частина існує у вигляді рідини і може розплавитися, якщо помістити його на долоню. З вищезазначених властивостей ми можемо зрозуміти, що галій може кородувати інші метали саме через свою низьку температуру плавлення. Рідкий галій утворює сплави з іншими металами, що є тим магічним явищем, про яке згадувалося 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 під алюмінієм є також елемент, який має подібні властивості до алюмінію і називається «алюмінійподібним елементом». У 1875 році, коли французький вчений Боубордланд вивчав закони спектральних ліній металевих елементів тієї ж родини, він виявив дивну світлу смугу у сфалериті (ZnS), тому він знайшов цей «алюмінійподібний елемент», а потім назвав його на честь своєї батьківщини Франції (Галлія, латинська Gallia), позначивши цей елемент символом Ga. Таким чином, галій став першим елементом, передбаченим в історії відкриття хімічних елементів, а потім його було підтверджено експериментально.
Галій поширений переважно в Китаї, Німеччині, Франції, Австралії, Казахстані та інших країнах світу, з яких запаси галію в Китаї становлять понад 95% від загальносвітових, в основному в Шаньсі, Гуйчжоу, Юньнані, Хенані, Гуансі та інших місцях [1]. Щодо типу поширення, то Шаньсі, Шаньдун та інші місця переважно містять боксити, Юньнань та інші місця - олов'яні руди, а Хунань та інші місця - сфалерит. На початку відкриття металевого галію, через відсутність відповідних досліджень його застосування, люди завжди вважали, що це метал з низькою придатністю до використання. Однак з постійним розвитком інформаційних технологій та ерою нової енергії та високих технологій, металевий галій привернув увагу як важливий матеріал в інформаційній сфері, і його попит також значно зріс.
2. Галузі застосування металевого галію
1. Галузь напівпровідників
Галій в основному використовується в галузі напівпровідникових матеріалів, причому матеріал на основі арсеніду галію (GaAs) є найширше використовуваним, а технологія — найрозвиненішою. Як носій інформації, напівпровідникові матеріали становлять від 80% до 85% загального споживання галію, який використовується переважно в бездротовому зв'язку. Підсилювачі потужності на основі арсеніду галію можуть збільшити швидкість передачі зв'язку до 100 разів порівняно з мережами 4G, що може відіграти важливу роль у вступі в еру 5G. Крім того, галій може використовуватися як теплорозсіювальне середовище в напівпровідникових пристроях завдяки своїм тепловим характеристикам, низькій температурі плавлення, високій теплопровідності та хорошим характеристикам плинності. Застосування металевого галію у вигляді сплаву на основі галію в термоінтерфейсних матеріалах може покращити здатність до розсіювання тепла та ефективність електронних компонентів.
2. Сонячні елементи
Розвиток сонячних елементів пройшов шлях від ранніх монокристалічних кремнієвих сонячних елементів до полікристалічних кремнієвих тонкоплівкових елементів. Через високу вартість полікристалічних кремнієвих тонкоплівкових елементів, дослідники виявили елементи на основі міді, індію, галію, селену (CIGS) у напівпровідникових матеріалах [3]. Елементи CIGS мають переваги низької виробничої вартості, великосерійного виробництва та високого коефіцієнта фотоелектричного перетворення, що забезпечує широкі перспективи розвитку. По-друге, сонячні елементи на основі арсеніду галію мають значні переваги в ефективності перетворення порівняно з тонкоплівковими елементами, виготовленими з інших матеріалів. Однак, через високу вартість виробництва матеріалів на основі арсеніду галію, вони наразі в основному використовуються в аерокосмічній та військовій галузях.
3. Воднева енергія
Зі зростанням усвідомлення енергетичної кризи в усьому світі люди прагнуть замінити невідновлювані джерела енергії, серед яких виділяється воднева енергетика. Однак висока вартість та низька безпека зберігання та транспортування водню перешкоджають розвитку цієї технології. Як найпоширеніший металевий елемент у земній корі, алюміній може реагувати з водою за певних умов, утворюючи водень, який є ідеальним матеріалом для зберігання водню. Однак, завдяки легкому окисленню поверхні металевого алюмінію з утворенням щільної плівки оксиду алюмінію, яка гальмує реакцію, дослідники виявили, що галій з низькою температурою плавлення може утворювати сплав з алюмінієм, а галій може розчиняти поверхневе покриття оксиду алюмінію, дозволяючи реакції протікати [4], а металевий галій можна переробляти та використовувати повторно. Використання алюмінієво-галієвих сплавів значно вирішує проблему швидкого отримання та безпечного зберігання та транспортування водневої енергії, підвищуючи безпеку, економію та захист навколишнього середовища.
4. Медична галузь
Галій широко використовується в медицині завдяки своїм унікальним радіаційним властивостям, які можна використовувати для візуалізації та пригнічення злоякісних пухлин. Сполуки галію мають очевидну протигрибкову та антибактеріальну активність, і зрештою досягають стерилізації, впливаючи на метаболізм бактерій. А сплави галію можна використовувати для виготовлення термометрів, таких як галієво-індієві олов'яні термометри, новий тип рідкометалевого сплаву, який є безпечним, нетоксичним та екологічно чистим, і може використовуватися для заміни токсичних ртутних термометрів. Крім того, певна частка сплаву на основі галію замінює традиційну срібну амальгаму та використовується в клінічних застосуваннях як новий стоматологічний пломбувальний матеріал.
3. Перспективи
Хоча Китай є одним з основних виробників галію у світі, у галієвій промисловості Китаю все ще існує багато проблем. Через низький вміст галію як супутнього мінералу, підприємства з виробництва галію розпорошені, а в промисловому ланцюжку є слабкі ланки. Процес видобутку призводить до серйозного забруднення навколишнього середовища, а виробничі потужності високочистого галію відносно слабкі, в основному покладаючись на експорт грубого галію за низькими цінами та імпорт рафінованого галію за високими цінами. Однак з розвитком науки і техніки, підвищенням рівня життя людей та широким застосуванням галію в галузі інформації та енергетики, попит на галій також швидко зростатиме. Відносно відстала технологія виробництва високочистого галію неминуче обмежуватиме промисловий розвиток Китаю. Розробка нових технологій має велике значення для досягнення високоякісного розвитку науки і техніки в Китаї.
Час публікації: 17 травня 2023 р.