Esiste un tipo di metallo che è estremamente magico. Nella vita di tutti i giorni, si presenta allo stato liquido come il mercurio. Se lo si lascia cadere su una lattina, si scopre con sorpresa che la bottiglia diventa fragile come la carta e si rompe con un semplice colpo. Inoltre, anche il fatto che cada su metalli come rame e ferro causa questa situazione, che può essere definita il "terminatore metallico". Cosa gli conferisce queste caratteristiche? Oggi entreremo nel mondo del gallio.
1. Quale elemento ègallio metallico
Il gallio si trova nel quarto gruppo del periodo IIIA della tavola periodica degli elementi. Il punto di fusione del gallio puro è molto basso, solo 29,78 °C, ma il punto di ebollizione può raggiungere i 2204,8 °C. In estate, la maggior parte di esso si presenta allo stato liquido e può essere fuso se tenuto nel palmo della mano. Dalle proprietà sopra descritte, possiamo comprendere che il gallio può corrodere altri metalli proprio a causa del suo basso punto di fusione. Il gallio liquido forma leghe con altri metalli, il che costituisce il fenomeno magico menzionato in precedenza. Il suo contenuto nella crosta terrestre è solo dello 0,001% circa e la sua esistenza fu scoperta solo 140 anni fa. Nel 1871, il chimico russo Mendeleev riassunse la tavola periodica degli elementi e predisse che, dopo lo zinco, esiste anche un elemento al di sotto dell'alluminio, con proprietà simili all'alluminio e chiamato "elemento simile all'alluminio". Nel 1875, quando lo scienziato francese Bowabordland stava studiando le leggi delle linee spettrali degli elementi metallici della stessa famiglia, trovò una strana banda luminosa nella sfalerite (ZnS), così trovò questo "elemento simile all'alluminio" e poi lo chiamò con il nome della sua patria, la Francia (Gallia, in latino Gallia), con il simbolo Ga per rappresentare questo elemento, così il gallio divenne il primo elemento previsto nella storia della scoperta degli elementi chimici, e poi trovò l'elemento confermato negli esperimenti.
Il gallio è distribuito principalmente in Cina, Germania, Francia, Australia, Kazakistan e altri paesi del mondo, di cui le riserve di gallio della Cina rappresentano oltre il 95% del totale mondiale, distribuite principalmente nello Shanxi, Guizhou, Yunnan, Henan, Guangxi e altre località [1]. In termini di tipo di distribuzione, nello Shanxi, nello Shandong e in altre località si trovano principalmente bauxite, nello Yunnan e in altre località minerale di stagno, e nell'Hunan e in altre località si trovano principalmente sfalerite. All'inizio della scoperta del gallio metallico, a causa della mancanza di ricerche corrispondenti sul suo utilizzo, si è sempre creduto che fosse un metallo di scarsa utilizzabilità. Tuttavia, con il continuo sviluppo delle tecnologie dell'informazione e l'era delle nuove energie e dell'alta tecnologia, il gallio metallico ha ricevuto attenzione come materiale importante nel campo dell'informazione e anche la sua domanda è aumentata notevolmente.
2. Campi di applicazione del gallio metallico
1. Campo dei semiconduttori
Il gallio è utilizzato principalmente nel campo dei materiali semiconduttori, con l'arseniuro di gallio (GaAs) come materiale più diffuso e la cui tecnologia è la più matura. Come vettore di diffusione delle informazioni, i materiali semiconduttori rappresentano l'80-85% del consumo totale di gallio, utilizzato principalmente nelle comunicazioni wireless. Gli amplificatori di potenza all'arseniuro di gallio possono aumentare la velocità di trasmissione delle comunicazioni fino a 100 volte superiore a quella delle reti 4G, il che può svolgere un ruolo importante nell'ingresso nell'era del 5G. Inoltre, il gallio può essere utilizzato come mezzo di dissipazione del calore nelle applicazioni a semiconduttore grazie alle sue caratteristiche termiche, al basso punto di fusione, all'elevata conduttività termica e alle buone prestazioni di flusso. L'applicazione del gallio metallico sotto forma di una lega a base di gallio nei materiali di interfaccia termica può migliorare la capacità di dissipazione del calore e l'efficienza dei componenti elettronici.
2. Celle solari
Lo sviluppo delle celle solari è passato dalle prime celle solari in silicio monocristallino alle celle a film sottile in silicio policristallino. A causa dell'elevato costo delle celle a film sottile in silicio policristallino, i ricercatori hanno scoperto celle a film sottile in rame, indio, gallio e selenio (CIGS) in materiali semiconduttori [3]. Le celle CIGS presentano i vantaggi di bassi costi di produzione, produzione in grandi lotti e alto tasso di conversione fotoelettrica, con ampie prospettive di sviluppo. In secondo luogo, le celle solari all'arseniuro di gallio presentano vantaggi significativi in termini di efficienza di conversione rispetto alle celle a film sottile realizzate in altri materiali. Tuttavia, a causa dell'elevato costo di produzione dei materiali all'arseniuro di gallio, attualmente sono utilizzate principalmente in campo aerospaziale e militare.
3. Energia dell'idrogeno
Con la crescente consapevolezza della crisi energetica in tutto il mondo, le persone stanno cercando di sostituire le fonti di energia non rinnovabili, tra cui spicca l'energia dell'idrogeno. Tuttavia, l'elevato costo e la scarsa sicurezza dello stoccaggio e del trasporto dell'idrogeno ostacolano lo sviluppo di questa tecnologia. Essendo l'elemento metallico più abbondante nella crosta, l'alluminio può reagire con l'acqua per produrre idrogeno in determinate condizioni, che è un materiale ideale per lo stoccaggio dell'idrogeno. Tuttavia, a causa della facile ossidazione della superficie dell'alluminio metallico per formare una densa pellicola di ossido di alluminio, che inibisce la reazione, i ricercatori hanno scoperto che il gallio metallico a basso punto di fusione può formare una lega con l'alluminio e il gallio può dissolvere il rivestimento di ossido di alluminio superficiale, consentendo alla reazione di procedere [4] e il gallio metallico può essere riciclato e riutilizzato. L'uso di materiali in lega di alluminio e gallio risolve notevolmente il problema della rapida preparazione e dello stoccaggio e trasporto sicuri dell'energia dell'idrogeno, migliorando la sicurezza, l'economia e la protezione ambientale.
4. Campo medico
Il gallio è comunemente utilizzato in campo medico grazie alle sue proprietà uniche di irradiazione, che possono essere impiegate per l'imaging e l'inibizione dei tumori maligni. I composti di gallio possiedono evidenti attività antimicotiche e antibatteriche e, in ultima analisi, consentono la sterilizzazione interferendo con il metabolismo batterico. Le leghe di gallio possono essere utilizzate per realizzare termometri, come i termometri gallio-indio-stagno, un nuovo tipo di lega metallica liquida sicura, atossica ed ecologica, che può essere utilizzata per sostituire i tossici termometri a mercurio. Inoltre, una certa percentuale di lega a base di gallio sostituisce la tradizionale amalgama d'argento e viene utilizzata in applicazioni cliniche come nuovo materiale per otturazioni dentali.
3. Prospettive
Sebbene la Cina sia uno dei principali produttori di gallio al mondo, l'industria cinese del gallio presenta ancora numerosi problemi. A causa del basso contenuto di gallio come minerale complementare, le imprese produttrici di gallio sono disperse e presentano anelli deboli nella filiera industriale. Il processo di estrazione è gravemente inquinato e la capacità produttiva di gallio ad alta purezza è relativamente scarsa, basata principalmente sull'esportazione di gallio grezzo a basso prezzo e sull'importazione di gallio raffinato a prezzi elevati. Tuttavia, con lo sviluppo della scienza e della tecnologia, il miglioramento del tenore di vita delle persone e la diffusione del gallio nei settori dell'informazione e dell'energia, anche la domanda di gallio aumenterà rapidamente. La tecnologia di produzione relativamente arretrata del gallio ad alta purezza porrà inevitabilmente dei limiti allo sviluppo industriale della Cina. Lo sviluppo di nuove tecnologie è di grande importanza per il raggiungimento di uno sviluppo scientifico e tecnologico di alta qualità in Cina.
Data di pubblicazione: 17 maggio 2023