Obstaja vrsta kovine, ki je zelo čarobna. V vsakdanjem življenju se pojavlja v tekoči obliki, kot je živo srebro. Če jo spustite na pločevinko, boste presenečeni, ko boste ugotovili, da steklenica postane krhka kot papir in se bo zlomila že z enim samim sunkom. Poleg tega padec na kovine, kot sta baker in železo, povzroči tudi to stanje, ki ga lahko imenujemo "kovinski terminator". Kaj povzroča takšne lastnosti? Danes se bomo poglobili v svet kovine galij.
1. Kateri element jekovinski galij
Galij spada v četrto obdobje IIIA skupine v periodnem sistemu elementov. Tališče čistega galija je zelo nizko, le 29,78 ℃, vrelišče pa doseže kar 2204,8 ℃. Poleti je večina v tekočem stanju in se lahko stopi, če ga damo v dlan. Iz zgornjih lastnosti lahko razberemo, da lahko galij prav zaradi nizkega tališča korodira druge kovine. Tekoči galij tvori zlitine z drugimi kovinami, kar je tisti čarobni pojav, omenjen prej. Njegova vsebnost v Zemljini skorji je le približno 0,001 %, njegov obstoj pa so odkrili šele pred 140 leti. Leta 1871 je ruski kemik Mendelejev povzel periodni sistem elementov in napovedal, da je po cinku pod aluminijem še en element, ki ima podobne lastnosti kot aluminij in se imenuje "element, podoben aluminiju". Leta 1875 je francoski znanstvenik Bowabordland, ko je preučeval zakone spektralnih črt kovinskih elementov iz iste družine, v sfaleritu (ZnS) odkril nenavaden svetli pas, zato je ta »element, podoben aluminiju«, odkril in ga poimenoval po svoji domovini Franciji (Galija, latinsko Gallia) s simbolom Ga, ki predstavlja ta element. Galij je tako postal prvi element, napovedan v zgodovini odkrivanja kemičnih elementov, nato pa je bil ta element potrjen v poskusih.
Galij je v glavnem razširjen na Kitajskem, v Nemčiji, Franciji, Avstraliji, Kazahstanu in drugih državah sveta, pri čemer kitajske rezerve galija predstavljajo več kot 95 % svetovnih rezerv, večinoma v provincah Shanxi, Guizhou, Yunnan, Henan, Guangxi in drugih krajih [1]. Kar zadeva vrsto razširjenosti, so v provincah Shanxi, Shandong in drugih krajih prisotna predvsem nahajališča boksita, v Yunnanu in drugih krajih kositrove rude, v Hunanu in drugih krajih pa sfalerit. Na začetku odkritja kovinskega galija so ljudje zaradi pomanjkanja ustreznih raziskav o njegovi uporabi vedno verjeli, da gre za kovino z nizko uporabnostjo. Vendar pa je z nenehnim razvojem informacijske tehnologije ter dobo nove energije in visoke tehnologije kovinski galij deležen pozornosti kot pomemben material na informacijskem področju, povpraševanje po njem pa se je močno povečalo.
2. Področja uporabe kovinskega galija
1. Polprevodniško polje
Galij se uporablja predvsem na področju polprevodniških materialov, pri čemer je galijev arzenid (GaAs) material najbolj razširjen in tehnologija je najbolj zrela. Kot nosilec širjenja informacij polprevodniški materiali predstavljajo od 80 % do 85 % celotne porabe galija, ki se uporablja predvsem v brezžični komunikaciji. Ojačevalniki moči z galijevim arzenidom lahko povečajo hitrost prenosa komunikacije do 100-krat večjo od hitrosti omrežij 4G, kar lahko igra pomembno vlogo pri vstopu v dobo 5G. Poleg tega se galij lahko uporablja kot medij za odvajanje toplote v polprevodniških aplikacijah zaradi svojih toplotnih lastnosti, nizkega tališča, visoke toplotne prevodnosti in dobre pretočnosti. Uporaba kovinskega galija v obliki zlitine na osnovi galija v toplotnoizolacijskih materialih lahko izboljša sposobnost odvajanja toplote in učinkovitost elektronskih komponent.
2. Sončne celice
Razvoj sončnih celic je prešel od zgodnjih monokristalnih silicijevih sončnih celic do polikristalnih silicijevih tankoplastnih celic. Zaradi visokih stroškov polikristalnih silicijevih tankoplastnih celic so raziskovalci odkrili bakreno-indijsko-galijsko-selenove tankoplastne celice (CIGS) v polprevodniških materialih [3]. Celice CIGS imajo prednosti nizkih proizvodnih stroškov, velike serijske proizvodnje in visoke stopnje fotoelektrične pretvorbe, kar jim daje široke razvojne možnosti. Drugič, sončne celice iz galijevega arzenida imajo pomembne prednosti v učinkovitosti pretvorbe v primerjavi s tankoplastnimi celicami iz drugih materialov. Vendar pa se zaradi visokih proizvodnih stroškov galijevega arzenida trenutno uporabljajo predvsem v vesoljski in vojaški industriji.
3. Vodikova energija
Zaradi vse večje ozaveščenosti o energetski krizi po vsem svetu si ljudje prizadevajo nadomestiti neobnovljive vire energije, med katerimi izstopa vodikova energija. Vendar pa visoki stroški in nizka varnost shranjevanja in transporta vodika ovirajo razvoj te tehnologije. Kot najpogostejši kovinski element v skorji lahko aluminij pod določenimi pogoji reagira z vodo in proizvaja vodik, ki je idealen material za shranjevanje vodika. Vendar pa so raziskovalci zaradi lahke oksidacije površine kovinskega aluminija, ki tvori gost film aluminijevega oksida, ki zavira reakcijo, ugotovili, da lahko kovinski galij z nizkim tališčem tvori zlitino z aluminijem, galij pa lahko raztopi površinski premaz aluminijevega oksida, kar omogoči potek reakcije [4], kovinski galij pa se lahko reciklira in ponovno uporabi. Uporaba aluminijevo-galijevih zlitin v veliki meri rešuje problem hitre priprave ter varnega shranjevanja in transporta vodikove energije, kar izboljšuje varnost, ekonomičnost in varstvo okolja.
4. Medicinsko področje
Galij se pogosto uporablja v medicini zaradi svojih edinstvenih sevalnih lastnosti, ki jih je mogoče uporabiti za slikanje in zaviranje malignih tumorjev. Galijeve spojine imajo očitne protiglivične in antibakterijske lastnosti ter na koncu dosežejo sterilizacijo z motenjem bakterijskega metabolizma. Galijeve zlitine se lahko uporabljajo za izdelavo termometrov, kot so galij-indijev-kositrovi termometri, nova vrsta tekoče kovinske zlitine, ki je varna, nestrupena in okolju prijazna ter se lahko uporablja za nadomestitev strupenih živosrebrnih termometrov. Poleg tega določen delež zlitine na osnovi galija nadomešča tradicionalni srebrov amalgam in se uporablja v kliničnih aplikacijah kot nov material za zobna polnila.
3. Napovedi
Čeprav je Kitajska eden glavnih proizvajalcev galija na svetu, se v kitajski industriji galija še vedno pojavlja veliko težav. Zaradi nizke vsebnosti galija kot spremljevalnega minerala so podjetja za proizvodnjo galija razpršena, v industrijski verigi pa so šibki členi. Proces rudarjenja močno onesnažuje okolje, proizvodna zmogljivost visoko čistega galija pa je relativno šibka, saj se v glavnem zanaša na izvoz grobega galija po nizkih cenah in uvoz rafiniranega galija po visokih cenah. Vendar pa se bo z razvojem znanosti in tehnologije, izboljšanjem življenjskega standarda ljudi in široko uporabo galija na področju informacij in energije hitro povečalo tudi povpraševanje po galiju. Relativno zaostala proizvodna tehnologija visoko čistega galija bo neizogibno ovirala industrijski razvoj Kitajske. Razvoj novih tehnologij je zelo pomemben za doseganje visokokakovostnega razvoja znanosti in tehnologije na Kitajskem.
Čas objave: 17. maj 2023