Er bestaat een metaalsoort die heel magisch is. In het dagelijks leven verschijnt het in vloeibare vorm, net als kwik. Als je het op een blikje laat vallen, zul je tot je verbazing merken dat de fles net zo kwetsbaar wordt als papier en al bij een tik breekt. Bovendien veroorzaakt een val op metalen zoals koper en ijzer ook deze situatie, die de "metaalterminator" genoemd kan worden. Wat veroorzaakt deze eigenschappen? Vandaag gaan we dieper in op het metaal gallium.
1. Welk element isgalliummetaal
Het element gallium bevindt zich in de vierde periode IIIA-groep van het periodiek systeem der elementen. Het smeltpunt van zuiver gallium is zeer laag, slechts 29,78 ℃, maar het kookpunt is maar liefst 2204,8 ℃. In de zomer is het grootste deel ervan vloeibaar en kan het smelten wanneer het in de handpalm wordt gehouden. Uit de bovenstaande eigenschappen kunnen we begrijpen dat gallium andere metalen juist vanwege het lage smeltpunt kan corroderen. Vloeibaar gallium vormt legeringen met andere metalen, wat het eerder genoemde magische fenomeen is. Het gehalte ervan in de aardkorst is slechts ongeveer 0,001% en het bestaan ervan werd pas 140 jaar geleden ontdekt. In 1871 vatte de Russische chemicus Mendelejev het periodiek systeem der elementen samen en voorspelde dat er na zink ook een element onder aluminium is, dat vergelijkbare eigenschappen heeft als aluminium en een "aluminiumachtig element" wordt genoemd. In 1875, toen de Franse wetenschapper Bowabordland de spectraallijnwetten van metaalelementen van dezelfde familie bestudeerde, ontdekte hij een vreemde lichte band in sfaleriet (ZnS). Hij vond dit "aluminiumachtige element" en noemde het naar zijn moederland Frankrijk (Gallië, Latijn Gallia). Het symbool Ga stond symbool voor dit element. Gallium werd het eerste element dat werd voorspeld in de geschiedenis van de ontdekking van chemische elementen. Vervolgens werd het bevestigde element in experimenten gevonden.
Gallium wordt voornamelijk gedistribueerd in China, Duitsland, Frankrijk, Australië, Kazachstan en andere landen in de wereld, waarvan de Chinese galliumreserves meer dan 95% van de wereldtotaal uitmaken, voornamelijk gedistribueerd in Shanxi, Guizhou, Yunnan, Henan, Guangxi en andere plaatsen [1]. Qua distributietype bestaan Shanxi, Shandong en andere plaatsen voornamelijk in bauxiet, Yunnan en andere plaatsen in tinerts, en Hunan en andere plaatsen bestaan voornamelijk in sfaleriet. Aan het begin van de ontdekking van galliummetaal hebben mensen, vanwege het gebrek aan overeenkomstig onderzoek naar de toepassing ervan, altijd geloofd dat het een metaal is met een lage bruikbaarheid. Met de voortdurende ontwikkeling van informatietechnologie en het tijdperk van nieuwe energie en hightech heeft galliummetaal echter aandacht gekregen als een belangrijk materiaal in het informatieveld, en de vraag ernaar is ook sterk toegenomen.
2. Toepassingsgebieden van metaalgallium
1. Halfgeleiderveld
Gallium wordt voornamelijk gebruikt in halfgeleidermaterialen, waarbij galliumarsenide (GaAs) het meest gebruikt wordt en de technologie het meest ontwikkeld is. Als drager van informatieverspreiding zijn halfgeleidermaterialen goed voor 80% tot 85% van het totale verbruik van gallium, voornamelijk gebruikt in draadloze communicatie. Galliumarsenide-vermogensversterkers kunnen de communicatiesnelheid tot 100 keer verhogen ten opzichte van 4G-netwerken, wat een belangrijke rol kan spelen bij het betreden van het 5G-tijdperk. Bovendien kan gallium worden gebruikt als warmteafvoermedium in halfgeleidertoepassingen vanwege de thermische eigenschappen, het lage smeltpunt, de hoge thermische geleidbaarheid en de goede vloeiprestaties. Het toepassen van galliummetaal in de vorm van een galliumlegering in thermische interfacematerialen kan het warmteafvoervermogen en de efficiëntie van elektronische componenten verbeteren.
2. Zonnecellen
De ontwikkeling van zonnecellen is geëvolueerd van vroege monokristallijne silicium zonnecellen naar polykristallijne silicium dunnefilmcellen. Vanwege de hoge kosten van polykristallijne silicium dunnefilmcellen hebben onderzoekers koper indium gallium selenium dunnefilmcellen (CIGS) ontdekt in halfgeleidermaterialen [3]. CIGS-cellen hebben de voordelen van lage productiekosten, grote serieproductie en een hoge foto-elektrische conversieratio, en hebben dus brede ontwikkelingsperspectieven. Ten tweede hebben galliumarsenide zonnecellen aanzienlijke voordelen in conversie-efficiëntie in vergelijking met dunnefilmcellen gemaakt van andere materialen. Vanwege de hoge productiekosten van galliumarsenide materialen worden ze echter momenteel voornamelijk gebruikt in de lucht- en ruimtevaart en militaire sector.
3. Waterstofenergie
Met het toenemende bewustzijn van de energiecrisis over de hele wereld, proberen mensen niet-hernieuwbare energiebronnen te vervangen, waarvan waterstofenergie opvalt. De hoge kosten en lage veiligheid van waterstofopslag en -transport belemmeren echter de ontwikkeling van deze technologie. Als het meest voorkomende metaalelement in de korst, kan aluminium reageren met water om onder bepaalde omstandigheden waterstof te produceren, wat een ideaal waterstofopslagmateriaal is. Vanwege de gemakkelijke oxidatie van het oppervlak van metaalaluminium om een dichte aluminiumoxidefilm te vormen, die de reactie remt, hebben onderzoekers echter ontdekt dat metaalgallium met een laag smeltpunt een legering kan vormen met aluminium, en gallium kan de aluminiumoxidecoating op het oppervlak oplossen, waardoor de reactie kan verlopen [4], en het metaalgallium kan worden gerecycled en hergebruikt. Het gebruik van aluminium-galliumlegeringsmaterialen lost het probleem van snelle bereiding en veilige opslag en transport van waterstofenergie aanzienlijk op, waardoor de veiligheid, economie en milieubescherming worden verbeterd.
4. Medisch veld
Gallium wordt veel gebruikt in de medische sector vanwege de unieke stralingseigenschappen, die kunnen worden gebruikt voor beeldvorming en het remmen van kwaadaardige tumoren. Galliumverbindingen hebben een duidelijke antischimmel- en antibacteriële werking en zorgen uiteindelijk voor sterilisatie door de bacteriële stofwisseling te verstoren. Galliumlegeringen kunnen ook worden gebruikt voor de productie van thermometers, zoals gallium-indium-tinthermometers, een nieuw type vloeibare metaallegering dat veilig, niet-giftig en milieuvriendelijk is en kan worden gebruikt ter vervanging van giftige kwikthermometers. Bovendien vervangt een bepaald percentage galliumlegering het traditionele zilveramalgaam en wordt het in klinische toepassingen gebruikt als nieuw tandvullingsmateriaal.
3. Vooruitzichten
Hoewel China een van de belangrijkste producenten van gallium ter wereld is, kampt de Chinese galliumindustrie nog steeds met veel problemen. Door het lage gehalte aan gallium als begeleidend mineraal zijn de galliumproductiebedrijven verspreid en zijn er zwakke schakels in de industriële keten. Het mijnbouwproces kent ernstige milieuvervuiling en de productiecapaciteit van zeer zuiver gallium is relatief zwak. De productie is voornamelijk afhankelijk van de export van grof gallium tegen lage prijzen en de import van geraffineerd gallium tegen hoge prijzen. Met de ontwikkeling van wetenschap en technologie, de verbetering van de levensstandaard en de wijdverbreide toepassing van gallium in de informatie- en energiesector zal de vraag naar gallium echter ook snel toenemen. De relatief achtergebleven productietechnologie van zeer zuiver gallium zal onvermijdelijk beperkingen opleggen aan de industriële ontwikkeling van China. De ontwikkeling van nieuwe technologieën is van groot belang voor het bereiken van een hoogwaardige ontwikkeling van wetenschap en technologie in China.
Geplaatst op: 17 mei 2023