Μεταλλικός Εξολοθρευτής – Γάλλιο

Υπάρχει ένα είδος μετάλλου που είναι πολύ μαγικό. Στην καθημερινή ζωή, εμφανίζεται σε υγρή μορφή όπως ο υδράργυρος. Αν το ρίξετε πάνω σε ένα κουτί, θα εκπλαγείτε όταν διαπιστώσετε ότι το μπουκάλι γίνεται τόσο εύθραυστο όσο το χαρτί και θα σπάσει με ένα μόνο τρύπημα. Επιπλέον, η ρίψη του σε μέταλλα όπως ο χαλκός και ο σίδηρος προκαλεί επίσης αυτή την κατάσταση, η οποία μπορεί να ονομαστεί «μεταλλικός τερματιστής». Τι το κάνει να έχει τέτοια χαρακτηριστικά; Σήμερα θα μπούμε στον κόσμο του μετάλλου γαλλίου.

1. Ποιο στοιχείο είναιμέταλλο γαλλίου

Το γάλλιο ανήκει στην τέταρτη περίοδο IIIA στον περιοδικό πίνακα των στοιχείων. Το σημείο τήξης του καθαρού γαλλίου είναι πολύ χαμηλό, μόνο 29,78 ℃, αλλά το σημείο βρασμού φτάνει τους 2204,8 ℃. Το καλοκαίρι, το μεγαλύτερο μέρος του υπάρχει ως υγρό και μπορεί να λιώσει όταν τοποθετηθεί στην παλάμη. Από τις παραπάνω ιδιότητες, μπορούμε να καταλάβουμε ότι το γάλλιο μπορεί να διαβρώσει άλλα μέταλλα ακριβώς λόγω του χαμηλού σημείου τήξης του. Το υγρό γάλλιο σχηματίζει κράματα με άλλα μέταλλα, το οποίο είναι το μαγικό φαινόμενο που αναφέρθηκε προηγουμένως. Η περιεκτικότητά του στον φλοιό της Γης είναι μόνο περίπου 0,001% και η ύπαρξή του ανακαλύφθηκε μόλις πριν από 140 χρόνια. Το 1871, ο Ρώσος χημικός Μεντελέγιεφ συνόψισε τον περιοδικό πίνακα των στοιχείων και προέβλεψε ότι μετά τον ψευδάργυρο, υπάρχει επίσης ένα στοιχείο κάτω από το αλουμίνιο, το οποίο έχει παρόμοιες ιδιότητες με το αλουμίνιο και ονομάζεται «στοιχείο που μοιάζει με αλουμίνιο». Το 1875, όταν ο Γάλλος επιστήμονας Μποουαμπόρντλαντ μελετούσε τους νόμους της φασματικής γραμμής των μεταλλικών στοιχείων της ίδιας οικογένειας, ανακάλυψε μια παράξενη φωτεινή ζώνη στον σφαλερίτη (ZnS), έτσι βρήκε αυτό το «στοιχείο που μοιάζει με αλουμίνιο» και στη συνέχεια το ονόμασε από την πατρίδα του, Γαλλία (Γαλατία, Λατινική Gallia), με το σύμβολο Ga να αντιπροσωπεύει αυτό το στοιχείο, έτσι το γάλλιο έγινε το πρώτο στοιχείο που προβλέφθηκε στην ιστορία της ανακάλυψης χημικών στοιχείων και στη συνέχεια βρέθηκε το επιβεβαιωμένο στοιχείο σε πειράματα.

Το γάλλιο διανέμεται κυρίως στην Κίνα, τη Γερμανία, τη Γαλλία, την Αυστραλία, το Καζακστάν και άλλες χώρες του κόσμου, εκ των οποίων τα αποθέματα γαλλίου της Κίνας αντιπροσωπεύουν περισσότερο από το 95% του παγκόσμιου συνόλου, κυρίως διανεμημένα στις επαρχίες Shanxi, Guizhou, Yunnan, Henan, Guangxi και άλλες περιοχές [1]. Όσον αφορά τον τύπο διανομής, η Shanxi, η Shandong και άλλες περιοχές βρίσκονται κυρίως σε βωξίτη, η Yunnan και άλλες περιοχές σε κασσίτερο, ενώ η Hunan και άλλες περιοχές βρίσκονται κυρίως σε σφαλερίτη. Στην αρχή της ανακάλυψης του μεταλλικού γαλλίου, λόγω της έλλειψης αντίστοιχης έρευνας σχετικά με την εφαρμογή του, οι άνθρωποι πίστευαν πάντα ότι είναι ένα μέταλλο με χαμηλή χρηστικότητα. Ωστόσο, με τη συνεχή ανάπτυξη της τεχνολογίας των πληροφοριών και την εποχή της νέας ενέργειας και της υψηλής τεχνολογίας, το μεταλλικό γάλλιο έχει λάβει την προσοχή ως ένα σημαντικό υλικό στον τομέα των πληροφοριών, και η ζήτησή του έχει επίσης αυξηθεί σημαντικά.

2, Πεδία εφαρμογής του μεταλλικού γαλλίου

1. Πεδίο ημιαγωγών

Το γάλλιο χρησιμοποιείται κυρίως στον τομέα των ημιαγωγικών υλικών, με το υλικό αρσενικούχου γαλλίου (GaAs) να είναι το πιο ευρέως χρησιμοποιούμενο και η τεχνολογία να είναι η πιο ώριμη. Ως φορέας διάδοσης πληροφοριών, τα ημιαγωγικά υλικά αντιπροσωπεύουν το 80% έως 85% της συνολικής κατανάλωσης γαλλίου, το οποίο χρησιμοποιείται κυρίως στην ασύρματη επικοινωνία. Οι ενισχυτές ισχύος αρσενικούχου γαλλίου μπορούν να αυξήσουν την ταχύτητα μετάδοσης επικοινωνίας έως και 100 φορές μεγαλύτερη από αυτή των δικτύων 4G, γεγονός που μπορεί να διαδραματίσει σημαντικό ρόλο στην είσοδο στην εποχή του 5G. Επιπλέον, το γάλλιο μπορεί να χρησιμοποιηθεί ως μέσο απαγωγής θερμότητας σε εφαρμογές ημιαγωγών λόγω των θερμικών χαρακτηριστικών του, του χαμηλού σημείου τήξης, της υψηλής θερμικής αγωγιμότητας και της καλής απόδοσης ροής. Η εφαρμογή μεταλλικού γαλλίου με τη μορφή κράματος με βάση το γάλλιο σε υλικά θερμικής διεπαφής μπορεί να βελτιώσει την ικανότητα απαγωγής θερμότητας και την απόδοση των ηλεκτρονικών εξαρτημάτων.

2. Ηλιακά κύτταρα

Η ανάπτυξη των ηλιακών κυψελών έχει προχωρήσει από τα πρώιμα μονοκρυσταλλικά ηλιακά κυψελίδια πυριτίου σε κυψελίδες λεπτής μεμβράνης πολυκρυσταλλικού πυριτίου. Λόγω του υψηλού κόστους των κυψελών λεπτής μεμβράνης πολυκρυσταλλικού πυριτίου, οι ερευνητές ανακάλυψαν κυψέλες λεπτής μεμβράνης χαλκού, ινδίου, γαλλίου, σεληνίου (CIGS) σε ημιαγωγικά υλικά [3]. Τα κυψέλες CIGS έχουν τα πλεονεκτήματα του χαμηλού κόστους παραγωγής, της μεγάλης παραγωγής και του υψηλού ρυθμού φωτοηλεκτρικής μετατροπής, έχοντας έτσι ευρείες προοπτικές ανάπτυξης. Δεύτερον, τα ηλιακά κυψέλες αρσενικού γαλλίου έχουν σημαντικά πλεονεκτήματα στην απόδοση μετατροπής σε σύγκριση με τα κυψέλες λεπτής μεμβράνης που κατασκευάζονται από άλλα υλικά. Ωστόσο, λόγω του υψηλού κόστους παραγωγής των υλικών αρσενικού γαλλίου, χρησιμοποιούνται σήμερα κυρίως στον αεροδιαστημικό και στρατιωτικό τομέα.

3. Ενέργεια υδρογόνου

Με την αυξανόμενη ευαισθητοποίηση σχετικά με την ενεργειακή κρίση σε όλο τον κόσμο, οι άνθρωποι επιδιώκουν να αντικαταστήσουν τις μη ανανεώσιμες πηγές ενέργειας, από τις οποίες ξεχωρίζει η ενέργεια από υδρογόνο. Ωστόσο, το υψηλό κόστος και η χαμηλή ασφάλεια της αποθήκευσης και μεταφοράς υδρογόνου εμποδίζουν την ανάπτυξη αυτής της τεχνολογίας. Ως το πιο άφθονο μεταλλικό στοιχείο στον φλοιό, το αλουμίνιο μπορεί να αντιδράσει με νερό για να παράγει υδρογόνο υπό ορισμένες συνθήκες, το οποίο αποτελεί ιδανικό υλικό αποθήκευσης υδρογόνου. Ωστόσο, λόγω της εύκολης οξείδωσης της επιφάνειας του μετάλλου από αλουμίνιο για να σχηματίσει μια πυκνή μεμβράνη οξειδίου του αργιλίου, η οποία αναστέλλει την αντίδραση, οι ερευνητές διαπίστωσαν ότι το μεταλλικό γάλλιο χαμηλού σημείου τήξης μπορεί να σχηματίσει ένα κράμα με αλουμίνιο, και το γάλλιο μπορεί να διαλύσει την επιφανειακή επίστρωση οξειδίου του αργιλίου, επιτρέποντας στην αντίδραση να προχωρήσει [4], και το μεταλλικό γάλλιο μπορεί να ανακυκλωθεί και να επαναχρησιμοποιηθεί. Η χρήση υλικών από κράμα αλουμινίου-γαλλίου λύνει σε μεγάλο βαθμό το πρόβλημα της ταχείας προετοιμασίας και ασφαλούς αποθήκευσης και μεταφοράς ενέργειας υδρογόνου, βελτιώνοντας την ασφάλεια, την οικονομία και την προστασία του περιβάλλοντος.

4. Ιατρικός τομέας

Το γάλλιο χρησιμοποιείται ευρέως στον ιατρικό τομέα λόγω των μοναδικών ιδιοτήτων ακτινοβολίας που διαθέτει, οι οποίες μπορούν να χρησιμοποιηθούν για την απεικόνιση και την αναστολή κακοήθων όγκων. Οι ενώσεις του γαλλίου έχουν προφανείς αντιμυκητιακές και αντιβακτηριακές δράσεις και τελικά επιτυγχάνουν αποστείρωση παρεμβαίνοντας στον βακτηριακό μεταβολισμό. Και τα κράματα γαλλίου μπορούν να χρησιμοποιηθούν για την κατασκευή θερμομέτρων, όπως τα θερμόμετρα γαλλίου-ινδίου-κασσιτέρου, ένας νέος τύπος κράματος υγρού μετάλλου που είναι ασφαλές, μη τοξικό και φιλικό προς το περιβάλλον και μπορεί να χρησιμοποιηθεί για την αντικατάσταση των τοξικών θερμομέτρων υδραργύρου. Επιπλέον, ένα ορισμένο ποσοστό κράματος με βάση το γάλλιο αντικαθιστά το παραδοσιακό αμάλγαμα αργύρου και χρησιμοποιείται σε κλινικές εφαρμογές ως νέο υλικό οδοντικής σφράγισης.

3, Προοπτικές

Παρόλο που η Κίνα είναι ένας από τους κύριους παραγωγούς γαλλίου στον κόσμο, εξακολουθούν να υπάρχουν πολλά προβλήματα στη βιομηχανία γαλλίου της Κίνας. Λόγω της χαμηλής περιεκτικότητας σε γάλλιο ως συνοδευτικό ορυκτό, οι επιχειρήσεις παραγωγής γαλλίου είναι διασκορπισμένες και υπάρχουν αδύναμοι κρίκοι στην βιομηχανική αλυσίδα. Η εξορυκτική διαδικασία έχει σοβαρή περιβαλλοντική ρύπανση και η παραγωγική ικανότητα γαλλίου υψηλής καθαρότητας είναι σχετικά χαμηλή, βασιζόμενη κυρίως στην εξαγωγή χονδροειδούς γαλλίου σε χαμηλές τιμές και στην εισαγωγή εξευγενισμένου γαλλίου σε υψηλές τιμές. Ωστόσο, με την ανάπτυξη της επιστήμης και της τεχνολογίας, τη βελτίωση του βιοτικού επιπέδου των ανθρώπων και την ευρεία εφαρμογή του γαλλίου στους τομείς της πληροφορίας και της ενέργειας, η ζήτηση για γάλλιο θα αυξηθεί επίσης ραγδαία. Η σχετικά καθυστερημένη τεχνολογία παραγωγής γαλλίου υψηλής καθαρότητας θα έχει αναπόφευκτα περιορισμούς στη βιομηχανική ανάπτυξη της Κίνας. Η ανάπτυξη νέων τεχνολογιών έχει μεγάλη σημασία για την επίτευξη υψηλής ποιότητας ανάπτυξης της επιστήμης και της τεχνολογίας στην Κίνα.