Existe um tipo de metal que é muito mágico. No dia a dia, ele aparece na forma líquida, como o mercúrio. Se você o deixar cair em uma lata, ficará surpreso ao descobrir que a garrafa se torna tão frágil quanto papel, quebrando-se com apenas um toque. Além disso, deixá-lo cair em metais como cobre e ferro também causa essa situação, que pode ser chamada de "exterminador de metais". O que lhe dá essas características? Hoje, vamos entrar no mundo do metal gálio.
1、Qual elemento émetal gálio
O elemento gálio está no quarto período IIIA, grupo da tabela periódica dos elementos. O ponto de fusão do gálio puro é muito baixo, apenas 29,78 ℃, mas o ponto de ebulição é tão alto quanto 2204,8 ℃. No verão, a maior parte dele existe como um líquido e pode ser derretido quando colocado na palma da mão. A partir das propriedades acima, podemos entender que o gálio pode corroer outros metais precisamente por causa de seu baixo ponto de fusão. O gálio líquido forma ligas com outros metais, que é o fenômeno mágico mencionado anteriormente. Seu conteúdo na crosta terrestre é de apenas cerca de 0,001%, e sua existência só foi descoberta há 140 anos. Em 1871, o químico russo Mendeleev resumiu a tabela periódica dos elementos e previu que, depois do zinco, também existe um elemento abaixo do alumínio, que tem propriedades semelhantes ao alumínio e é chamado de "elemento semelhante ao alumínio". Em 1875, quando o cientista francês Bowabordland estudava as leis das linhas espectrais de elementos metálicos da mesma família, ele encontrou uma estranha faixa de luz na esfalerita (ZnS), então ele encontrou esse "elemento semelhante ao alumínio" e então o nomeou em homenagem à sua terra natal, a França (Gália, latim Gallia), com o símbolo Ga para representar esse elemento, então o gálio se tornou o primeiro elemento previsto na história da descoberta de elementos químicos e então encontrou o elemento confirmado em experimentos.
O gálio é distribuído principalmente na China, Alemanha, França, Austrália, Cazaquistão e outros países do mundo, dos quais as reservas de recursos de gálio da China representam mais de 95% do total mundial, distribuídas principalmente em Shanxi, Guizhou, Yunnan, Henan, Guangxi e outros lugares [1]. Em termos de tipo de distribuição, Shanxi, Shandong e outros lugares existem principalmente em bauxita, Yunnan e outros lugares em minério de estanho, e Hunan e outros lugares existem principalmente em esfalerita. No início da descoberta do metal gálio, devido à falta de pesquisas correspondentes sobre sua aplicação, as pessoas sempre acreditaram que era um metal com baixa usabilidade. No entanto, com o desenvolvimento contínuo da tecnologia da informação e a era da nova energia e alta tecnologia, o metal gálio recebeu atenção como um material importante no campo da informação, e sua demanda também aumentou muito.
2. Campos de aplicação do gálio metálico
1. Campo semicondutor
O gálio é usado principalmente na área de materiais semicondutores, sendo o arsenieto de gálio (GaAs) o material mais amplamente utilizado e a tecnologia mais madura. Como um veículo de disseminação de informações, os materiais semicondutores representam 80% a 85% do consumo total de gálio, usado principalmente em comunicação sem fio. Amplificadores de potência de arsenieto de gálio podem aumentar a velocidade de transmissão de comunicação em até 100 vezes a das redes 4G, o que pode desempenhar um papel importante na entrada na era 5G. Além disso, o gálio pode ser usado como um meio de dissipação de calor em aplicações semicondutoras devido às suas características térmicas, baixo ponto de fusão, alta condutividade térmica e bom desempenho de fluxo. A aplicação de gálio metálico na forma de uma liga à base de gálio em materiais de interface térmica pode melhorar a capacidade de dissipação de calor e a eficiência de componentes eletrônicos.
2. Células solares
O desenvolvimento de células solares evoluiu das primeiras células solares de silício monocristalino para células de película fina de silício policristalino. Devido ao alto custo das células de película fina de silício policristalino, pesquisadores descobriram células de película fina de cobre, índio, gálio e selênio (CIGS) em materiais semicondutores [3]. As células CIGS apresentam as vantagens de baixos custos de produção, produção em grandes lotes e alta taxa de conversão fotoelétrica, apresentando amplas perspectivas de desenvolvimento. Em segundo lugar, as células solares de arsenieto de gálio apresentam vantagens significativas na eficiência de conversão em comparação com células de película fina feitas de outros materiais. No entanto, devido ao alto custo de produção dos materiais de arsenieto de gálio, elas são atualmente utilizadas principalmente nas áreas aeroespacial e militar.
3. Energia do hidrogênio
Com a crescente conscientização sobre a crise energética em todo o mundo, as pessoas buscam substituir fontes de energia não renováveis, das quais se destaca a energia do hidrogênio. No entanto, o alto custo e a baixa segurança do armazenamento e transporte de hidrogênio dificultam o desenvolvimento dessa tecnologia. Como o elemento metálico mais abundante na crosta, o alumínio pode reagir com a água para produzir hidrogênio sob certas condições, o que é um material ideal para armazenamento de hidrogênio. No entanto, devido à fácil oxidação da superfície do alumínio metálico para formar uma densa película de óxido de alumínio, que inibe a reação, os pesquisadores descobriram que o gálio metálico de baixo ponto de fusão pode formar uma liga com o alumínio, e o gálio pode dissolver o revestimento de óxido de alumínio da superfície, permitindo que a reação prossiga [4], e o gálio metálico pode ser reciclado e reutilizado. O uso de materiais de liga de alumínio e gálio resolve em grande parte o problema de preparação rápida e armazenamento e transporte seguros de energia de hidrogênio, melhorando a segurança, a economia e a proteção ambiental.
4. Área médica
O gálio é comumente utilizado na área médica devido às suas propriedades únicas de radiação, que podem ser utilizadas para obtenção de imagens e inibição de tumores malignos. Os compostos de gálio possuem atividades antifúngicas e antibacterianas evidentes e, em última análise, alcançam a esterilização por meio da interferência no metabolismo bacteriano. Ligas de gálio podem ser usadas para fabricar termômetros, como os termômetros de gálio-índio-estanho, um novo tipo de liga metálica líquida segura, atóxica e ecologicamente correta, podendo ser usada para substituir termômetros de mercúrio tóxico. Além disso, uma certa proporção de liga à base de gálio substitui o amálgama de prata tradicional e é usada em aplicações clínicas como um novo material para obturações dentárias.
3、 Perspectiva
Embora a China seja um dos principais produtores de gálio do mundo, ainda existem muitos problemas na indústria de gálio chinesa. Devido ao baixo teor de gálio como mineral complementar, as empresas produtoras de gálio estão dispersas e existem elos fracos na cadeia industrial. O processo de mineração apresenta grave poluição ambiental e a capacidade de produção de gálio de alta pureza é relativamente fraca, dependendo principalmente da exportação de gálio bruto a preços baixos e da importação de gálio refinado a preços elevados. No entanto, com o desenvolvimento da ciência e da tecnologia, a melhoria do padrão de vida da população e a ampla aplicação do gálio nas áreas de informação e energia, a demanda por gálio também aumentará rapidamente. A tecnologia de produção relativamente atrasada de gálio de alta pureza inevitavelmente terá restrições ao desenvolvimento industrial da China. O desenvolvimento de novas tecnologias é de grande importância para alcançar o desenvolvimento de alta qualidade da ciência e tecnologia na China.
Data de publicação: 17 de maio de 2023