Съществува един вид метал, който е много магичен. В ежедневието той се появява в течна форма като живак. Ако го пуснете върху консервна кутия, ще се изненадате да откриете, че бутилката става крехка като хартия и ще се счупи само с едно блъскане. Освен това, пускането ѝ върху метали като мед и желязо също причинява тази ситуация, която може да се нарече „метален терминатор“. Какво причинява тези характеристики? Днес ще се впуснем в света на метала галий.
1. Кой е елементът?галиев метал
Галият е елемент в четвъртия период IIIA група в периодичната таблица на елементите. Точката на топене на чистия галий е много ниска, само 29,78 ℃, но точката на кипене е висока до 2204,8 ℃. През лятото по-голямата част от него съществува като течност и може да се стопи, когато се постави в дланта. От горните свойства можем да разберем, че галият може да корозира други метали именно поради ниската си точка на топене. Течният галий образува сплави с други метали, което е магическият феномен, споменат по-рано. Съдържанието му в земната кора е само около 0,001% и съществуването му е открито едва преди 140 години. През 1871 г. руският химик Менделеев обобщава периодичната таблица на елементите и предсказва, че след цинка има и елемент под алуминия, който има подобни свойства на алуминия и се нарича „алуминиевоподобен елемент“. През 1875 г., когато френският учен Боубордланд изучава законите на спектралните линии на метални елементи от същото семейство, той открива странна светла лента в сфалерит (ZnS), така че открива този „алуминиевоподобен елемент“ и след това го кръщава на родината си Франция (Галия, латински Gallia), като символът Ga представлява този елемент. Така галият става първият предсказан елемент в историята на откриването на химични елементи, а след това е открит и потвърден елемент в експерименти.
Галият е разпространен главно в Китай, Германия, Франция, Австралия, Казахстан и други страни по света, като китайските запаси от галий представляват повече от 95% от световните запаси, като са разпространени главно в Шанси, Гуейджоу, Юнан, Хенан, Гуанси и други места [1]. По отношение на вида разпространение, Шанси, Шандун и други места се срещат предимно в боксит, Юнан и други места - в калаена руда, а Хунан и други места - предимно в сфалерит. В началото на откриването на металния галий, поради липсата на съответни изследвания за неговото приложение, хората винаги са вярвали, че той е метал с ниска използваемост. Въпреки това, с непрекъснатото развитие на информационните технологии и ерата на новата енергия и високите технологии, металният галий е получил внимание като важен материал в информационната област и търсенето му също се е увеличило значително.
2. Области на приложение на металния галий
1. Полупроводниково поле
Галият се използва главно в областта на полупроводниковите материали, като галиевият арсенид (GaAs) е най-широко използваният материал, а технологията е най-зряла. Като носител на информация, полупроводниковите материали представляват 80% до 85% от общото потребление на галий, използван главно в безжичната комуникация. Усилвателите на мощност с галиев арсенид могат да увеличат скоростта на предаване на комуникация до 100 пъти по-висока от тази на 4G мрежите, което може да играе важна роля за навлизането в 5G ерата. Освен това, галият може да се използва като среда за разсейване на топлината в полупроводникови приложения поради своите термични характеристики, ниска точка на топене, висока топлопроводимост и добра течливост. Прилагането на метален галий под формата на сплав на базата на галий в термоинтерфейсни материали може да подобри способността за разсейване на топлината и ефективността на електронните компоненти.
2. Слънчеви клетки
Развитието на слънчевите клетки премина от ранни монокристални силициеви слънчеви клетки до поликристални силициеви тънкослойни клетки. Поради високата цена на поликристалните силициеви тънкослойни клетки, изследователите са открили медно-индийско-галийско-селенови (CIGS) тънкослойни клетки в полупроводникови материали [3]. CIGS клетките имат предимствата на ниски производствени разходи, производство на големи партиди и висок коефициент на фотоелектрическо преобразуване, което им дава широки перспективи за развитие. Второ, слънчевите клетки от галиев арсенид имат значителни предимства по отношение на ефективността на преобразуване в сравнение с тънкослойните клетки, изработени от други материали. Въпреки това, поради високата производствена цена на галиево-арсенидните материали, те в момента се използват главно в аерокосмическата и военната област.
3. Водородна енергия
С нарастващата осведоменост за енергийната криза по целия свят, хората се стремят да заменят невъзобновяемите енергийни източници, сред които водородната енергия се откроява. Високата цена и ниската безопасност на съхранението и транспортирането на водород обаче възпрепятстват развитието на тази технология. Като най-разпространеният метален елемент в земната кора, алуминият може да реагира с вода, за да произведе водород при определени условия, което е идеален материал за съхранение на водород. Въпреки това, поради лесното окисляване на повърхността на метала алуминий, за да се образува плътен филм от алуминиев оксид, който инхибира реакцията, изследователите са установили, че металът галий с ниска точка на топене може да образува сплав с алуминий, а галият може да разтвори повърхностното покритие от алуминиев оксид, позволявайки на реакцията да протече [4], а металът галий може да бъде рециклиран и използван повторно. Използването на алуминиево-галиеви сплави значително решава проблема с бързото приготвяне и безопасното съхранение и транспортиране на водородна енергия, подобрявайки безопасността, икономичността и опазването на околната среда.
4. Медицинска област
Галият се използва широко в медицинската област поради уникалните си радиационни свойства, които могат да се използват за изобразяване и инхибиране на злокачествени тумори. Галиевите съединения имат очевидна противогъбична и антибактериална активност и в крайна сметка постигат стерилизация чрез намеса в бактериалния метаболизъм. Галиевите сплави могат да се използват за направата на термометри, като например галиево-индиево-калаени термометри, нов вид течна метална сплав, която е безопасна, нетоксична и екологична и може да се използва за заместване на токсични живачни термометри. Освен това, определена част от сплавта на базата на галий замества традиционната сребърна амалгама и се използва в клинични приложения като нов материал за зъбни пломби.
3. Перспектива
Въпреки че Китай е един от основните производители на галий в света, все още има много проблеми в галиевата индустрия в Китай. Поради ниското съдържание на галий като съпътстващ минерал, предприятията за производство на галий са разпръснати и има слаби звена в индустриалната верига. Процесът на добив е свързан със сериозно замърсяване на околната среда, а производственият капацитет на галий с висока чистота е сравнително слаб, като се разчита главно на износ на едър галий на ниски цени и внос на рафиниран галий на високи цени. С развитието на науката и технологиите, подобряването на жизнения стандарт на хората и широкото приложение на галия в областта на информацията и енергетиката обаче, търсенето на галий също ще се увеличи бързо. Сравнително изостаналата технология за производство на галий с висока чистота неизбежно ще окаже ограничение върху индустриалното развитие на Китай. Разработването на нови технологии е от голямо значение за постигане на висококачествено развитие на науката и технологиите в Китай.
Време на публикуване: 17 май 2023 г.