Hi ha un tipus de metall que és molt màgic. A la vida quotidiana, apareix en forma líquida com el mercuri. Si el deixes caure sobre una llauna, et sorprendràs en veure que l'ampolla es torna tan fràgil com el paper i es trencarà amb només un cop. A més, deixar-lo caure sobre metalls com el coure i el ferro també provoca aquesta situació, que es pot anomenar el "terminador de metalls". Què fa que tingui aquestes característiques? Avui ens endinsarem en el món del gal·li metàl·lic.
1. Quin element ésgal·li metall
El gal·li es troba al quart període IIIA del grup de la taula periòdica dels elements. El punt de fusió del gal·li pur és molt baix, només 29,78 ℃, però el punt d'ebullició arriba als 2204,8 ℃. A l'estiu, la major part existeix com a líquid i es pot fondre quan es col·loca al palmell de la mà. A partir de les propietats anteriors, podem entendre que el gal·li pot corroir altres metalls precisament a causa del seu baix punt de fusió. El gal·li líquid forma aliatges amb altres metalls, que és el fenomen màgic esmentat anteriorment. El seu contingut a l'escorça terrestre és només d'aproximadament el 0,001%, i la seva existència no es va descobrir fins fa 140 anys. El 1871, el químic rus Mendeleev va resumir la taula periòdica dels elements i va predir que després del zinc, també hi ha un element per sota de l'alumini, que té propietats similars a l'alumini i s'anomena "element similar a l'alumini". El 1875, quan el científic francès Bowabordland estudiava les lleis de les línies espectrals dels elements metàl·lics de la mateixa família, va trobar una estranya banda de llum a l'esfalerita (ZnS), de manera que va trobar aquest "element semblant a l'alumini", i després el va anomenar en honor a la seva terra natal, França (Gàl·lia, llatí Gallia), amb el símbol Ga per representar aquest element, de manera que el gal·li es va convertir en el primer element predit en la història del descobriment d'elements químics, i després es va trobar l'element confirmat en experiments.
El gal·li es distribueix principalment a la Xina, Alemanya, França, Austràlia, Kazakhstan i altres països del món, dels quals les reserves de recursos de gal·li de la Xina representen més del 95% del total mundial, distribuïdes principalment a Shanxi, Guizhou, Yunnan, Henan, Guangxi i altres llocs [1]. Pel que fa al tipus de distribució, Shanxi, Shandong i altres llocs existeixen principalment en bauxita, Yunnan i altres llocs en mineral d'estany, i Hunan i altres llocs existeixen principalment en esfalerita. Al principi del descobriment del metall de gal·li, a causa de la manca d'investigació corresponent sobre la seva aplicació, la gent sempre ha cregut que és un metall amb baixa usabilitat. Tanmateix, amb el desenvolupament continu de la tecnologia de la informació i l'era de les noves energies i l'alta tecnologia, el metall de gal·li ha rebut atenció com a material important en el camp de la informació, i la seva demanda també ha augmentat considerablement.
2. Camps d'aplicació del gal·li metàl·lic
1. Camp semiconductor
El gal·li s'utilitza principalment en el camp dels materials semiconductors, sent l'arseniur de gal·li (GaAs) el material més utilitzat i la tecnologia més madura. Com a vector de difusió d'informació, els materials semiconductors representen entre el 80% i el 85% del consum total de gal·li, que s'utilitza principalment en la comunicació sense fil. Els amplificadors de potència d'arseniur de gal·li poden augmentar la velocitat de transmissió de la comunicació fins a 100 vegades superior a la de les xarxes 4G, cosa que pot tenir un paper important en l'entrada a l'era 5G. A més, el gal·li es pot utilitzar com a medi de dissipació de calor en aplicacions de semiconductors a causa de les seves característiques tèrmiques, baix punt de fusió, alta conductivitat tèrmica i bon rendiment de flux. L'aplicació de gal·li metàl·lic en forma d'aliatge a base de gal·li en materials d'interfície tèrmica pot millorar la capacitat de dissipació de calor i l'eficiència dels components electrònics.
2. Cèl·lules solars
El desenvolupament de les cèl·lules solars ha passat de les primeres cèl·lules solars de silici monocristal·lí a les cèl·lules de pel·lícula fina de silici policristal·lí. A causa de l'alt cost de les cèl·lules de pel·lícula fina de silici policristal·lí, els investigadors han descobert cèl·lules de pel·lícula fina de coure, indi, gal·li i seleni (CIGS) en materials semiconductors [3]. Les cèl·lules CIGS tenen els avantatges d'uns baixos costos de producció, una producció per lots grans i una alta taxa de conversió fotoelèctrica, per la qual cosa tenen àmplies perspectives de desenvolupament. En segon lloc, les cèl·lules solars d'arseniur de gal·li tenen avantatges significatius en l'eficiència de conversió en comparació amb les cèl·lules de pel·lícula fina fetes d'altres materials. Tanmateix, a causa de l'alt cost de producció dels materials d'arseniur de gal·li, actualment s'utilitzen principalment en els camps aeroespacial i militar.
3. Energia de l'hidrogen
Amb la creixent consciència de la crisi energètica a tot el món, la gent busca substituir les fonts d'energia no renovables, de les quals destaca l'energia de l'hidrogen. Tanmateix, l'alt cost i la baixa seguretat de l'emmagatzematge i el transport de l'hidrogen dificulten el desenvolupament d'aquesta tecnologia. Com a element metàl·lic més abundant a l'escorça, l'alumini pot reaccionar amb l'aigua per produir hidrogen sota certes condicions, cosa que el converteix en un material ideal per a l'emmagatzematge d'hidrogen. Tanmateix, a causa de la fàcil oxidació de la superfície del metall d'alumini per formar una densa pel·lícula d'òxid d'alumini, que inhibeix la reacció, els investigadors han descobert que el gal·li metàl·lic de baix punt de fusió pot formar un aliatge amb l'alumini, i el gal·li pot dissoldre el recobriment d'òxid d'alumini de la superfície, permetent que la reacció continuï [4], i el gal·li metàl·lic es pot reciclar i reutilitzar. L'ús de materials d'aliatge d'alumini i gal·li resol en gran mesura el problema de la preparació ràpida i l'emmagatzematge i el transport segurs de l'energia de l'hidrogen, millorant la seguretat, l'economia i la protecció del medi ambient.
4. Àmbit mèdic
El gal·li s'utilitza habitualment en el camp mèdic a causa de les seves propietats úniques de radiació, que es poden utilitzar per a la imatge i la inhibició de tumors malignes. Els compostos de gal·li tenen activitats antifúngiques i antibacterianes òbvies i, en última instància, aconsegueixen l'esterilització interferint amb el metabolisme bacterià. I els aliatges de gal·li es poden utilitzar per fabricar termòmetres, com ara els termòmetres de gal·li-indi-estany, un nou tipus d'aliatge de metall líquid que és segur, no tòxic i respectuós amb el medi ambient, i es pot utilitzar per substituir els termòmetres de mercuri tòxics. A més, una certa proporció d'aliatge a base de gal·li substitueix l'amalgama de plata tradicional i s'utilitza en aplicacions clíniques com a nou material d'emplenament dental.
3. Perspectiva
Tot i que la Xina és un dels principals productors de gal·li del món, encara hi ha molts problemes a la indústria del gal·li xinesa. A causa del baix contingut de gal·li com a mineral acompanyant, les empreses productores de gal·li estan disperses i hi ha enllaços febles a la cadena industrial. El procés miner té una greu contaminació ambiental i la capacitat de producció de gal·li d'alta puresa és relativament feble, depenent principalment de l'exportació de gal·li gruixut a preus baixos i la importació de gal·li refinat a preus elevats. Tanmateix, amb el desenvolupament de la ciència i la tecnologia, la millora del nivell de vida de les persones i l'aplicació generalitzada del gal·li en els camps de la informació i l'energia, la demanda de gal·li també augmentarà ràpidament. La tecnologia de producció relativament endarrerida de gal·li d'alta puresa inevitablement tindrà restriccions per al desenvolupament industrial de la Xina. El desenvolupament de noves tecnologies és de gran importància per aconseguir un desenvolupament d'alta qualitat de la ciència i la tecnologia a la Xina.
Data de publicació: 17 de maig de 2023