Има един вид метал, който е много магически. В ежедневието се появява в течна форма като живак. Ако го изпуснете върху консервна кутия, с изненада ще откриете, че бутилката става крехка като хартия и ще се счупи само с едно бутване. В допълнение, изпускането му върху метали като мед и желязо също причинява тази ситуация, която може да се нарече „метален терминатор“. Какво го кара да има такива характеристики? Днес ще навлезем в света на металния галий.
1、Какъв е елементътметален галий
Елементът галий е 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 достига 2204,8 ℃. През лятото по-голямата част от него съществува като течност и може да се разтопи, 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%, а 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 елемент под алуминия, който има сходни свойства с алуминия и се нарича „алуминий подобен елемент“. През 1875 г., когато френският учен Бовабордланд изучава законите на спектралните линии на метални елементи от същото семейство, той открива странна светлинна лента в сфалерита (ZnS), така че открива този „елемент, подобен на алуминий“, и след това го наименува на своята родина Франция (Галия, латинска Gallia), със символа Ga за представяне на този елемент, така че галият стана първият предсказан елемент в историята на откриването на химически елементи и след това откри потвърден елемент в експерименти.
Галият се разпространява главно в Китай, Германия, Франция, Австралия, Казахстан и други страни по света, от които запасите от галий в Китай представляват повече от 95% от общите световни запаси, разпределени главно в Шанси, Гуейджоу, Юнан, Хенан, Гуанси и други места [1]. По отношение на типа разпространение, Шанси, Шандонг и други места съществуват главно в боксит, Юнан и други места в калаена руда, а Хунан и други места съществуват главно в сфалерит. В началото на откриването на метала галий, поради липсата на съответните изследвания за приложението му, хората винаги са вярвали, че това е метал с ниска използваемост. Въпреки това, с непрекъснатото развитие на информационните технологии и ерата на новата енергия и високите технологии, металът галий получи внимание като важен материал в информационното поле и търсенето му също се увеличи значително.
2、 Области на приложение на металния галий
1. Полупроводниково поле
Галият се използва главно в областта на полупроводниковите материали, като материалът галиев арсенид (GaAs) е най-широко използваният и технологията е най-зрялата. Като носител на разпространение на информация, полупроводниковите материали представляват 80% до 85% от общото потребление на галий, използван главно в безжичната комуникация. Усилвателите на мощност от галиев арсенид могат да увеличат скоростта на комуникационно предаване до 100 пъти тази на 4G мрежите, което може да изиграе важна роля при навлизането в ерата на 5G. Освен това, галият може да се използва като среда за разсейване на топлината в полупроводникови приложения поради своите топлинни характеристики, ниска точка на топене, висока топлопроводимост и добра производителност на потока. Прилагането на метален галий под формата на сплав на базата на галий в материали за термичен интерфейс може да подобри способността за разсейване на топлината и ефективността на електронните компоненти.
2. Слънчеви клетки
Развитието на слънчевите клетки премина от ранните монокристални силициеви слънчеви клетки до поликристални силициеви тънкослойни клетки. Поради високата цена на поликристалните силициеви тънкослойни клетки, изследователите са открили медно-индиево-галиево-селенови тънкослойни клетки (CIGS) в полупроводникови материали [3]. Клетките CIGS имат предимствата на ниски производствени разходи, производство на големи партиди и висок процент на фотоелектрическо преобразуване, като по този начин имат широки перспективи за развитие. Второ, слънчевите клетки от галиев арсенид имат значителни предимства в ефективността на преобразуване в сравнение с тънкослойните клетки, направени от други материали. Въпреки това, поради високата производствена цена на материалите от галиев арсенид, те в момента се използват главно в космическата и военната сфера.
3. Водородна енергия
С нарастващото осъзнаване на енергийната криза в целия свят хората се стремят да заменят невъзобновяемите енергийни източници, сред които водородната енергия се откроява. Въпреки това, високата цена и ниската безопасност на съхранението и транспортирането на водород възпрепятстват развитието на тази технология. Като най-изобилният 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, но поради лесното окисление на повърхността на металния алуминий, за да образува плътен филм от алуминиев оксид , което инхибира реакцията, изследователите са открили, че металът с ниска точка на топене галий може да образува сплав с алуминий, а галият може да разтвори повърхностния алуминиев оксид покритие, което позволява реакцията да протече [4], а металният галий може да бъде рециклиран и използван повторно. Използването на материали от алуминиево-галиева сплав значително решава проблема с бързото приготвяне и безопасно съхранение и транспортиране на водородна енергия, подобрявайки безопасността, икономичността и опазването на околната среда.
4. Медицинска област
Галият се използва често в областта на медицината поради уникалните си радиационни свойства, които могат да се използват за изобразяване и инхибиране на злокачествени тумори. Галиевите съединения имат очевидно противогъбично и антибактериално действие и в крайна сметка постигат стерилизация чрез намеса в бактериалния метаболизъм. И галиеви сплави могат да се използват за направата на термометри, като галиево-индиево-калаени термометри, нов тип течна метална сплав, която е безопасна, нетоксична и екологична и може да се използва за замяна на токсични живачни термометри. В допълнение, определена част от сплав на основата на галий замества традиционната сребърна амалгама и се използва в клинични приложения като нов материал за зъбни пломби.
3、 Outlook
Въпреки че Китай е един от основните производители на галий в света, все още има много проблеми в китайската галиева индустрия. Поради ниското съдържание на галий като придружаващ минерал предприятията за производство на галий са разпръснати и има слаби звена в промишлената верига. Процесът на добив има сериозно замърсяване на околната среда и производственият капацитет на галий с висока чистота е сравнително слаб, като се разчита главно на износ на груб галий на ниски цени и внос на рафиниран галий на високи цени. Въпреки това, с развитието на науката и технологиите, подобряването на стандарта на живот на хората и широкото приложение на галий в областта на информацията и енергията, търсенето на галий също бързо ще се увеличи. Сравнително изостаналата технология за производство на галий с висока чистота неизбежно ще има ограничения 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