Existuje druh kovu, který je velmi magický. V každodenním životě se objevuje v tekuté formě, jako je rtuť. Pokud ho upustíte na plechovku, budete překvapeni, že láhev se stane křehkou jako papír a rozbije se pouhým šťouchnutím. Kromě toho, pád na kovy, jako je měď a železo, také způsobuje tuto situaci, kterou lze nazvat „kovovým terminátorem“. Co způsobuje jeho takové vlastnosti? Dnes se podíváme do světa kovu galia.
1. Jaký prvek jekov galia
Gallium se v periodické tabulce prvků nachází ve čtvrté periodě IIIA skupiny. Teplota tání čistého galia je velmi nízká, pouze 29,78 °C, ale bod varu dosahuje až 2204,8 °C. V létě se většina galia nachází v kapalném stavu a po uložení do dlaně se může roztavit. Z výše uvedených vlastností můžeme pochopit, že galium může korodovat jiné kovy právě kvůli své nízké teplotě tání. Kapalné galium tvoří slitiny s jinými kovy, což je dříve zmíněný magický jev. Jeho obsah v zemské kůře je pouze asi 0,001 % a jeho existence byla objevena až před 140 lety. V roce 1871 ruský chemik Mendělejev shrnul periodickou tabulku prvků a předpověděl, že po zinku existuje pod hliníkem také prvek, který má podobné vlastnosti jako hliník a nazývá se „prvek podobný hliníku“. V roce 1875, když francouzský vědec Bowabordland studoval zákony spektrálních čar kovových prvků ze stejné skupiny, objevil ve sfaleritu (ZnS) zvláštní světelný pás. Tento „prvek podobný hliníku“ objevil a pojmenoval ho po své vlasti Francii (Gaulie, latinsky Gallia) se symbolem Ga, který tento prvek reprezentoval. Gallium se tak stalo prvním prvkem předpovězeným v historii objevování chemických prvků a poté byl prvek potvrzen experimentálně.
Gallium je distribuováno především v Číně, Německu, Francii, Austrálii, Kazachstánu a dalších zemích světa. Čínské zásoby galia tvoří více než 95 % světových zásob a nacházejí se hlavně v provinciích Šan-si, Kuej-čou, Jün-nan, Henan, Kuang-si a dalších oblastech [1]. Co se týče typu rozšíření, v provinciích Šan-si, Šan-tung a dalších oblastech se vyskytují především ložiska bauxitu, v Jün-nanu a dalších oblastech cínové rudy a v Hunanu a dalších oblastech sfaleritu. Na počátku objevování kovového galia se kvůli nedostatku odpovídajícího výzkumu jeho aplikace vždy věřilo, že se jedná o kov s nízkou využitelností. S neustálým rozvojem informačních technologií a érou nových energií a high-tech se však kovové galium stalo důležitým materiálem v informační oblasti a jeho poptávka se také výrazně zvýšila.
2. Oblasti použití kovového galia
1. Oblast polovodičů
Gallium se používá hlavně v oblasti polovodičových materiálů, přičemž nejrozšířenějším materiálem je arsenid galia (GaAs) a nejvyspělejší technologií. Jako nosič informací tvoří polovodičové materiály 80 % až 85 % celkové spotřeby galia a používají se hlavně v bezdrátové komunikaci. Výkonové zesilovače s arsenidem galia mohou zvýšit rychlost přenosu komunikace až na 100krát vyšší než v sítích 4G, což může hrát důležitou roli při vstupu do éry 5G. Navíc lze galium díky svým tepelným vlastnostem, nízkému bodu tání, vysoké tepelné vodivosti a dobrému průtoku použít jako médium pro odvod tepla v polovodičových aplikacích. Použití kovového galia ve formě slitiny na bázi galia v tepelně vodivých materiálech může zlepšit schopnost odvodu tepla a účinnost elektronických součástek.
2. Solární články
Vývoj solárních článků se posunul od raných monokrystalických křemíkových solárních článků k polykrystalickým tenkovrstvým křemíkovým článkům. Vzhledem k vysoké ceně polykrystalických tenkovrstvých křemíkových článků vědci objevili v polovodičových materiálech články s tenkovrstvým filmem měď-indium-gallium-selen (CIGS) [3]. Články CIGS mají výhody nízkých výrobních nákladů, velkosériové výroby a vysokého fotoelektrického konverzního poměru, a proto mají široké perspektivy rozvoje. Za druhé, solární články z arsenidu galia mají ve srovnání s tenkovrstvými články vyrobenými z jiných materiálů významné výhody v účinnosti konverze. Vzhledem k vysokým výrobním nákladům na materiály z arsenidu galia se však v současnosti používají hlavně v leteckém a vojenském průmyslu.
3. Vodíková energie
S rostoucím povědomím o energetické krizi po celém světě se lidé snaží nahradit neobnovitelné zdroje energie, z nichž vyniká vodíková energie. Vysoké náklady a nízká bezpečnost skladování a přepravy vodíku však brzdí rozvoj této technologie. Jako nejhojnější kovový prvek v zemské kůře může hliník za určitých podmínek reagovat s vodou za vzniku vodíku, který je ideálním materiálem pro skladování vodíku. Vzhledem k snadné oxidaci povrchu kovového hliníku za vzniku hustého filmu oxidu hlinitého, který reakci inhibuje, však vědci zjistili, že kovové galium s nízkou teplotou tání může s hliníkem tvořit slitinu a galium může rozpouštět povrchový povlak oxidu hlinitého, což umožňuje průběh reakce [4] a kovové galium lze recyklovat a znovu použít. Použití hliníkovo-galliových slitin výrazně řeší problém rychlé přípravy a bezpečného skladování a přepravy vodíkové energie, čímž se zlepšuje bezpečnost, hospodárnost a ochrana životního prostředí.
4. Lékařský obor
Gallium se běžně používá v lékařství díky svým jedinečným radiačním vlastnostem, které lze využít k zobrazování a inhibici maligních nádorů. Sloučeniny galia mají zjevné antifungální a antibakteriální účinky a v konečném důsledku dosahují sterilizace interferencí s bakteriálním metabolismem. Slitiny galia lze použít k výrobě teploměrů, jako jsou galiovo-indiovo-cínové teploměry, což je nový typ tekuté kovové slitiny, která je bezpečná, netoxická a šetrná k životnímu prostředí a může být použita k nahrazení toxických rtuťových teploměrů. Kromě toho určitý podíl slitiny na bázi galia nahrazuje tradiční stříbrný amalgám a používá se v klinických aplikacích jako nový zubní výplňový materiál.
3. Výhled
Přestože je Čína jedním z hlavních producentů galia na světě, v čínském galiovém průmyslu stále existuje mnoho problémů. Vzhledem k nízkému obsahu galia jako doprovodného minerálu jsou podniky zabývající se výrobou galia rozptýlené a v průmyslovém řetězci existují slabé články. Těžební proces má vážné znečištění životního prostředí a výrobní kapacita vysoce čistého galia je relativně slabá, spoléhá se hlavně na vývoz hrubého galia za nízké ceny a dovoz rafinovaného galia za vysoké ceny. S rozvojem vědy a techniky, zlepšením životní úrovně lidí a širokým využitím galia v oblasti informací a energetiky však poptávka po galiu také rychle poroste. Relativně zaostalá technologie výroby vysoce čistého galia bude nevyhnutelně omezovat průmyslový rozvoj Číny. Vývoj nových technologií má velký význam pro dosažení vysoce kvalitního rozvoje vědy a techniky v Číně.
Čas zveřejnění: 17. května 2023