Ir kāds metāls, kam piemīt ļoti maģija. Ikdienā tas parādās šķidrā veidā, līdzīgi kā dzīvsudrabs. Ja to uzpilināsiet uz bundžas, jūs pārsteigs, ka pudele kļūs tikpat trausla kā papīrs un saplīsīs jau no viena dūriena. Turklāt, uzpilinot to uz tādiem metāliem kā varš un dzelzs, rodas arī šī situācija, ko var saukt par "metāla terminatoru". Kas izraisa šādas īpašības? Šodien mēs ieiesim metāla gallija pasaulē.
1. Kāds elements irgallija metāls
Gallijs atrodas elementu periodiskās tabulas ceturtā perioda IIIA grupā. Tīra gallija kušanas temperatūra ir ļoti zema, tikai 29,78 ℃, bet viršanas temperatūra ir pat 2204,8 ℃. Vasarā lielākā daļa no tā pastāv šķidrā stāvoklī un, ievietojot plaukstā, to var izkausēt. No iepriekš minētajām īpašībām var saprast, ka gallijs var korozēt citus metālus tieši zemās kušanas temperatūras dēļ. Šķidrs gallijs veido sakausējumus ar citiem metāliem, kas ir iepriekš minētā maģiskā parādība. Tā saturs Zemes garozā ir tikai aptuveni 0,001%, un tā esamība tika atklāta tikai pirms 140 gadiem. 1871. gadā krievu ķīmiķis Mendeļejevs apkopoja elementu periodisko tabulu un paredzēja, ka pēc cinka zem alumīnija ir arī elements, kam ir līdzīgas īpašības kā alumīnijam un ko sauc par "alumīnijam līdzīgu elementu". 1875. gadā, kad franču zinātnieks Bovabordlands pētīja tās pašas saimes metālu elementu spektrālo līniju likumus, viņš sfalerītā (ZnS) atklāja dīvainu gaismas joslu, tāpēc viņš atrada šo "alumīnijam līdzīgo elementu" un pēc tam nosauca to savas dzimtenes Francijas vārdā (Gallija, latīņu Gallija), ar simbolu Ga, lai apzīmētu šo elementu, tāpēc gallijs kļuva par pirmo elementu, kas tika prognozēts ķīmisko elementu atklāšanas vēsturē, un pēc tam tika apstiprināts elements eksperimentos.
Gallijs galvenokārt ir izplatīts Ķīnā, Vācijā, Francijā, Austrālijā, Kazahstānā un citās pasaules valstīs, no kurām Ķīnas gallija resursu rezerves veido vairāk nekā 95% no pasaules kopējām rezervēm, galvenokārt Šaņsji, Guidžou, Juņnaņā, Henanā, Guansji un citās vietās [1]. Runājot par izplatības veidu, Šaņsji, Šaņdunā un citās vietās galvenokārt ir boksīts, Juņnaņā un citās vietās - alvas rūda, bet Hunanā un citās vietās - sfalerīts. Gallija metāla atklāšanas sākumā, tā kā trūka atbilstošu pētījumu par tā pielietojumu, cilvēki vienmēr ir uzskatījuši, ka tas ir metāls ar zemu lietošanas ērtumu. Tomēr, nepārtraukti attīstoties informācijas tehnoloģijām un jaunām enerģijas un augsto tehnoloģiju laikmetam, gallijs ir ieguvis uzmanību kā svarīgs materiāls informācijas jomā, un arī pieprasījums pēc tā ir ievērojami pieaudzis.
2. Metāla gallija pielietojuma lauki
1. Pusvadītāju lauks
Galliju galvenokārt izmanto pusvadītāju materiālu jomā, un visplašāk izmantotais materiāls ir gallija arsenīds (GaAs), un šī tehnoloģija ir visattīstītākā. Kā informācijas izplatīšanas nesējs pusvadītāju materiāli veido 80–85 % no kopējā gallija patēriņa, ko galvenokārt izmanto bezvadu sakaros. Galija arsenīda jaudas pastiprinātāji var palielināt sakaru pārraides ātrumu līdz 100 reizēm salīdzinājumā ar 4G tīkliem, kam var būt svarīga loma 5G laikmeta ieiešanā. Turklāt galliju var izmantot kā siltuma izkliedes vidi pusvadītāju lietojumos, pateicoties tā termiskajām īpašībām, zemajai kušanas temperatūrai, augstajai siltumvadītspējai un labai plūsmas veiktspējai. Gallija metāla izmantošana gallija sakausējuma veidā termiskās saskarnes materiālos var uzlabot elektronisko komponentu siltuma izkliedes spēju un efektivitāti.
2. Saules baterijas
Saules bateriju attīstība ir notikusi no agrīnajām monokristāliskā silīcija saules baterijām līdz polikristāliskā silīcija plānslāņa elementiem. Polikristāliskā silīcija plāno plēves elementu augsto izmaksu dēļ pētnieki ir atklājuši vara indija gallija selēna plānās plēves (CIGS) elementus pusvadītāju materiālos [3]. CIGS elementiem ir tādas priekšrocības kā zemas ražošanas izmaksas, liela partiju ražošana un augsts fotoelektriskās konversijas ātrums, tādējādi nodrošinot plašas attīstības perspektīvas. Otrkārt, gallija arsenīda saules baterijām ir ievērojamas priekšrocības konversijas efektivitātē salīdzinājumā ar plānslāņa elementiem, kas izgatavoti no citiem materiāliem. Tomēr gallija arsenīda materiālu augsto ražošanas izmaksu dēļ tos pašlaik galvenokārt izmanto kosmosa un militārajā jomā.
3. Ūdeņraža enerģija
Pieaugot izpratnei par enerģētikas krīzi visā pasaulē, cilvēki cenšas aizstāt neatjaunojamos enerģijas avotus, no kuriem izceļas ūdeņraža enerģija. Tomēr ūdeņraža uzglabāšanas un transportēšanas augstās izmaksas un zemā drošība kavē šīs tehnoloģijas attīstību. Kā visizplatītākais metāla elements Zemes garozā, alumīnijs noteiktos apstākļos var reaģēt ar ūdeni, veidojot ūdeņradi, kas ir ideāls ūdeņraža uzglabāšanas materiāls. Tomēr, ņemot vērā alumīnija metāla virsmas vieglo oksidēšanos, veidojot blīvu alumīnija oksīda plēvi, kas kavē reakciju, pētnieki ir atklājuši, ka zemas kušanas temperatūras metāls gallijs var veidot sakausējumu ar alumīniju, un gallijs var izšķīdināt virsmas alumīnija oksīda pārklājumu, ļaujot reakcijai turpināties [4], un metālu galliju var pārstrādāt un atkārtoti izmantot. Alumīnija gallija sakausējumu materiālu izmantošana ievērojami atrisina ūdeņraža enerģijas ātras sagatavošanas, drošas uzglabāšanas un transportēšanas problēmu, uzlabojot drošību, ekonomiju un vides aizsardzību.
4. Medicīnas joma
Gallijs medicīnas jomā tiek plaši izmantots tā unikālo starojuma īpašību dēļ, ko var izmantot ļaundabīgu audzēju attēlveidošanai un inhibēšanai. Gallija savienojumiem piemīt acīmredzamas pretsēnīšu un antibakteriālas aktivitātes, un tie galu galā panāk sterilizāciju, traucējot baktēriju metabolismu. Un gallija sakausējumus var izmantot termometru, piemēram, gallija-indija alvas termometru, ražošanai, kas ir jauna veida šķidrs metāla sakausējums, kas ir drošs, netoksisks un videi draudzīgs, un ko var izmantot, lai aizstātu toksiskus dzīvsudraba termometrus. Turklāt noteikta daļa no gallija bāzes sakausējuma aizstāj tradicionālo sudraba amalgamu un tiek izmantota klīniskos pielietojumos kā jauns zobu plombēšanas materiāls.
3. Perspektīva
Lai gan Ķīna ir viena no galvenajām gallija ražotājām pasaulē, Ķīnas gallija rūpniecībā joprojām ir daudz problēmu. Tā kā gallija kā pavadošā minerāla saturs ir zems, gallija ražošanas uzņēmumi ir izkliedēti, un rūpniecības ķēdē ir vāji posmi. Ieguves process rada nopietnu vides piesārņojumu, un augstas tīrības pakāpes gallija ražošanas jauda ir relatīvi vāja, galvenokārt balstoties uz rupjā gallija eksportu par zemām cenām un rafinētā gallija importu par augstām cenām. Tomēr, attīstoties zinātnei un tehnoloģijām, uzlabojoties cilvēku dzīves līmenim un plaši izplatoties gallijam informācijas un enerģētikas jomā, strauji pieaugs arī pieprasījums pēc gallija. Relatīvi atpalikusī augstas tīrības pakāpes gallija ražošanas tehnoloģija neizbēgami ierobežos Ķīnas rūpniecības attīstību. Jaunu tehnoloģiju izstrādei ir liela nozīme, lai panāktu augstas kvalitātes zinātnes un tehnoloģiju attīstību Ķīnā.
Publicēšanas laiks: 2023. gada 17. maijs