Esiste un tipo di metallo che è molto magico. Nella vita quotidiana appare in forma liquida come il mercurio. Se la lasci cadere su una lattina, rimarrai sorpreso nello scoprire che la bottiglia diventa fragile come la carta e si romperà con un semplice colpo. Inoltre, anche lasciarlo cadere su metalli come rame e ferro provoca questa situazione, che può essere chiamata “terminatore di metallo”. Cosa gli fa avere tali caratteristiche? Oggi entreremo nel mondo del gallio metallico.
1、Che elemento èmetallo gallio
L'elemento Gallio si trova nel gruppo del quarto periodo IIIA nella tavola periodica degli elementi. Il punto di fusione del gallio puro è molto basso, solo 29,78 ℃, ma il punto di ebollizione arriva fino a 2204,8 ℃. In estate, la maggior parte esiste come liquido e può essere sciolto se messo nel palmo della mano. Dalle proprietà di cui sopra possiamo capire che il gallio può corrodere altri metalli proprio a causa del suo basso punto di fusione. Il gallio liquido forma leghe con altri metalli, che è il fenomeno magico menzionato prima. Il suo contenuto nella crosta terrestre è solo dello 0,001% circa e la sua esistenza è stata scoperta solo 140 anni fa. Nel 1871, il chimico russo Mendeleev riassunse la tavola periodica degli elementi e predisse che dopo lo zinco, c'è anche un elemento sotto l'alluminio, che ha proprietà simili all'alluminio ed è chiamato "elemento simile all'alluminio". Nel 1875, quando lo scienziato francese Bowabordland stava studiando le leggi della linea spettrale degli elementi metallici della stessa famiglia, trovò una strana banda luminosa nella sfalerite (ZnS), così trovò questo "elemento simile all'alluminio", e gli diede il nome della sua terra natale. Francia (Gallia, 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 risorse di gallio della Cina rappresentano oltre il 95% del totale mondiale, distribuite principalmente nello Shanxi, Guizhou, Yunnan, Henan, Guangxi e altri luoghi [1]. In termini di tipo di distribuzione, nello Shanxi, nello Shandong e in altri luoghi si trova principalmente la bauxite, nello Yunnan e in altri luoghi il minerale di stagno, mentre nell'Hunan e in altri luoghi si trova principalmente la sfalerite. All'inizio della scoperta del gallio metallico, a causa della mancanza di ricerche corrispondenti sulla sua applicazione, si è sempre creduto che si trattasse di un metallo di bassa usabilità. Tuttavia, con il continuo sviluppo della tecnologia dell'informazione e dell'era delle nuove energie e dell'alta tecnologia, il gallio metallico ha ricevuto l'attenzione come materiale importante nel campo dell'informazione e anche la sua domanda è notevolmente aumentata.
2、 Campi di applicazione del gallio metallico
1. Campo dei semiconduttori
Il gallio è utilizzato principalmente nel campo dei materiali semiconduttori, dove l'arseniuro di gallio (GaAs) è il più utilizzato e la tecnologia è la più matura. Come vettore di diffusione delle informazioni, i materiali semiconduttori rappresentano dall'80% all'85% del consumo totale di gallio, utilizzato principalmente nella comunicazione wireless. Gli amplificatori di potenza all'arseniuro di gallio possono aumentare la velocità di trasmissione della comunicazione fino a 100 volte quella delle reti 4G, il che può svolgere un ruolo importante nell'ingresso nell'era 5G. Inoltre, il gallio può essere utilizzato come mezzo di dissipazione del calore in applicazioni a semiconduttore grazie alle sue caratteristiche termiche, basso punto di fusione, elevata conduttività termica e buone prestazioni di flusso. L'applicazione del gallio metallico sotto forma di lega a base di gallio nei materiali dell'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 di silicio policristallino, i ricercatori hanno scoperto celle a film sottile di rame indio gallio selenio (CIGS) nei materiali semiconduttori [3]. Le celle CIGS presentano i vantaggi di bassi costi di produzione, produzione in grandi lotti e alto tasso di conversione fotoelettrica, avendo quindi 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 con altri materiali. Tuttavia, a causa dell’elevato costo di produzione dei materiali arseniuro di gallio, attualmente vengono utilizzati principalmente nei campi 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 energetiche non rinnovabili, tra cui spicca l’energia dell’idrogeno. Tuttavia, i costi elevati 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 immagazzinare l'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 superficiale di ossido di alluminio, 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 preparazione rapida, dello stoccaggio e del trasporto sicuri dell'energia dell'idrogeno, migliorando la sicurezza, l'economia e la protezione dell'ambiente.
4. Campo medico
Il gallio è comunemente usato in campo medico grazie alle sue proprietà radioattive uniche, che possono essere utilizzate per l'imaging e l'inibizione dei tumori maligni. I composti del gallio hanno evidenti attività antifungine e antibatteriche e alla fine raggiungono la sterilizzazione interferendo con il metabolismo batterico. E le leghe di gallio possono essere utilizzate per realizzare termometri, come i termometri al gallio-indio-stagno, un nuovo tipo di lega di metallo liquido che è sicura, non tossica e rispettosa dell'ambiente e può essere utilizzata per sostituire i termometri a mercurio tossici. Inoltre, una certa percentuale di lega a base di gallio sostituisce il 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, ci sono ancora molti problemi nell’industria cinese del gallio. A causa del basso contenuto di gallio come minerale complementare, le imprese di produzione del gallio sono sparse e vi sono anelli deboli nella catena industriale. Il processo di estrazione presenta un grave inquinamento ambientale e la capacità di produzione di gallio ad elevata purezza è relativamente debole, basandosi principalmente sull'esportazione di gallio grezzo a prezzi bassi 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 l'ampia applicazione del gallio nei campi dell'informazione e dell'energia, anche la domanda di gallio aumenterà rapidamente. La tecnologia di produzione relativamente arretrata del gallio ad elevata purezza avrà inevitabilmente dei vincoli sullo sviluppo industriale della Cina. Lo sviluppo di nuove tecnologie è di grande importanza per raggiungere uno sviluppo scientifico e tecnologico di alta qualità in Cina.
Orario di pubblicazione: 17 maggio 2023