Det finnes en type metall som er veldig magisk. I dagliglivet opptrer det i flytende form, som kvikksølv. Hvis du slipper det på en boks, vil du bli overrasket over å oppdage at flasken blir like skjør som papir, og den vil knuse med bare et støt. I tillegg forårsaker det å slippe det på metaller som kobber og jern også denne situasjonen, som kan kalles «metallterminatoren». Hva forårsaker at det har slike egenskaper? I dag skal vi ta en titt på metallet galliums verden.
1. Hvilket grunnstoff ergalliummetall
Gallium er i den fjerde periodegruppen IIIA i det periodiske systemet. Smeltepunktet for rent gallium er svært lavt, bare 29,78 ℃, men kokepunktet er så høyt som 2204,8 ℃. Om sommeren finnes det meste som væske og kan smeltes når det plasseres i håndflaten. Ut fra egenskapene ovenfor kan vi forstå at gallium kan korrodere andre metaller nettopp på grunn av det lave smeltepunktet. Flytende gallium danner legeringer med andre metaller, noe som er det magiske fenomenet som er nevnt tidligere. Innholdet i jordskorpen er bare omtrent 0,001 %, og dets eksistens ble ikke oppdaget før for 140 år siden. I 1871 oppsummerte den russiske kjemikeren Mendeleev det periodiske systemet og forutså at det etter sink også finnes et grunnstoff under aluminium, som har lignende egenskaper som aluminium og kalles et "aluminiumlignende grunnstoff". I 1875, da den franske vitenskapsmannen Bowabordland studerte spektrallinjelovene til metallelementer i samme familie, fant han et merkelig lyst bånd i sfaleritt (ZnS). Han fant derfor dette «aluminiumlignende elementet» og oppkalte det etter sitt hjemland Frankrike (Gallia, latin Gallia), med symbolet Ga som representasjon av dette elementet. Gallium ble dermed det første elementet som ble forutsagt i historien om oppdagelsen av kjemiske elementer, og fant deretter det bekreftede elementet i eksperimenter.
Gallium er hovedsakelig distribuert i Kina, Tyskland, Frankrike, Australia, Kasakhstan og andre land i verden, hvorav Kinas galliumressursreserver utgjør mer enn 95 % av verdens totale, hovedsakelig distribuert i Shanxi, Guizhou, Yunnan, Henan, Guangxi og andre steder [1]. Når det gjelder distribusjonstype, finnes det hovedsakelig bauxitt i Shanxi, Shandong og andre steder, tinnmalm i Yunnan og andre steder, og sfaleritt i Hunan og andre steder. I begynnelsen av oppdagelsen av galliummetall, på grunn av mangel på tilsvarende forskning på dets anvendelse, har folk alltid trodd at det er et metall med lav brukervennlighet. Med den kontinuerlige utviklingen av informasjonsteknologi og æraen med ny energi og høyteknologi har galliummetall imidlertid fått oppmerksomhet som et viktig materiale innen informasjonsfeltet, og etterspørselen har også økt betraktelig.
2. Bruksområder for metallgallium
1. Halvlederfelt
Gallium brukes hovedsakelig innen halvledermaterialer, der galliumarsenid (GaAs) er det mest brukte materialet og teknologien er den mest modne. Som bærer av informasjonsformidling står halvledermaterialer for 80 % til 85 % av det totale forbruket av gallium, hovedsakelig brukt i trådløs kommunikasjon. Galliumarsenid-effektforsterkere kan øke kommunikasjonsoverføringshastigheten til 100 ganger 4G-nettverk, noe som kan spille en viktig rolle i å gå inn i 5G-æraen. Dessuten kan gallium brukes som et varmespredningsmedium i halvlederapplikasjoner på grunn av dets termiske egenskaper, lave smeltepunkt, høye varmeledningsevne og gode strømningsytelse. Bruk av galliummetall i form av en galliumbasert legering i termiske grensesnittmaterialer kan forbedre varmespredningsevnen og effektiviteten til elektroniske komponenter.
2. Solceller
Utviklingen av solceller har gått fra tidlige monokrystallinske silisiumsolceller til polykrystallinske silisiumtynnfilmceller. På grunn av den høye kostnaden for polykrystallinske silisiumtynnfilmceller har forskere oppdaget kobberindium-galliumselen-tynnfilmceller (CIGS) i halvledermaterialer [3]. CIGS-celler har fordelene med lave produksjonskostnader, storskalaproduksjon og høy fotoelektrisk konverteringshastighet, og har dermed brede utviklingsmuligheter. For det andre har galliumarsenid-solceller betydelige fordeler i konverteringseffektivitet sammenlignet med tynnfilmceller laget av andre materialer. På grunn av den høye produksjonskostnaden for galliumarsenidmaterialer brukes de imidlertid for tiden hovedsakelig innen luftfart og militære felt.
3. Hydrogenenergi
Med den økende bevisstheten rundt energikrisen over hele verden, søker folk å erstatte ikke-fornybare energikilder, og hydrogenenergi skiller seg ut. Høye kostnader og lav sikkerhet ved hydrogenlagring og -transport hindrer imidlertid utviklingen av denne teknologien. Som det mest forekommende metallelementet i jordskorpen kan aluminium reagere med vann for å produsere hydrogen under visse forhold, noe som er et ideelt materiale for hydrogenlagring. På grunn av den enkle oksidasjonen av overflaten av metallaluminium for å danne en tett aluminiumoksidfilm, som hemmer reaksjonen, har forskere imidlertid funnet ut at metallgallium med lavt smeltepunkt kan danne en legering med aluminium, og gallium kan løse opp overflatebelegget av aluminiumoksid, slik at reaksjonen kan fortsette [4], og metallgallium kan resirkuleres og gjenbrukes. Bruken av aluminiumgalliumlegeringsmaterialer løser i stor grad problemet med rask fremstilling og sikker lagring og transport av hydrogenenergi, noe som forbedrer sikkerhet, økonomi og miljøvern.
4. Medisinsk felt
Gallium brukes ofte innen medisin på grunn av dets unike strålingsegenskaper, og kan brukes til avbildning og hemming av ondartede svulster. Galliumforbindelser har åpenbare soppdrepende og antibakterielle aktiviteter, og oppnår til slutt sterilisering ved å forstyrre bakteriell metabolisme. Galliumlegeringer kan brukes til å lage termometre, for eksempel gallium-indium-tinntermometre, en ny type flytende metalllegering som er trygg, giftfri og miljøvennlig, og kan brukes til å erstatte giftige kvikksølvtermometre. I tillegg erstatter en viss andel galliumbasert legering det tradisjonelle sølvamalgamet og brukes i kliniske applikasjoner som et nytt tannfyllingsmateriale.
3. Utsikter
Selv om Kina er en av verdens største produsenter av gallium, er det fortsatt mange problemer i Kinas galliumindustri. På grunn av det lave innholdet av gallium som følgemineral, er galliumproduksjonsbedriftene spredt, og det er svake ledd i industrikjeden. Gruvedriftsprosessen har alvorlig miljøforurensning, og produksjonskapasiteten til gallium med høy renhet er relativt svak, hovedsakelig avhengig av eksport av grovt gallium til lave priser og import av raffinert gallium til høye priser. Men med utviklingen av vitenskap og teknologi, forbedringen av folks levestandard og den utbredte bruken av gallium innen informasjon og energi, vil etterspørselen etter gallium også øke raskt. Den relativt tilbakestående produksjonsteknologien for gallium med høy renhet vil uunngåelig ha begrensninger på Kinas industrielle utvikling. Utvikling av ny teknologi er av stor betydning for å oppnå høy kvalitet på utviklingen av vitenskap og teknologi i Kina.
Publisert: 17. mai 2023