Es gibt ein Metall mit einer ganz besonderen Magie. Im Alltag tritt es in flüssiger Form wie Quecksilber auf. Fällt es auf eine Dose, wird die Flasche überraschenderweise so zerbrechlich wie Papier und zerbricht schon beim ersten Stoß. Auch das Fallenlassen auf Metalle wie Kupfer und Eisen führt zu dieser Situation, die als „Metall-Terminator“ bezeichnet werden kann. Was sind die Ursachen für diese Eigenschaften? Heute tauchen wir in die Welt des metallischen Galliums ein.
1、Welches Element istGalliummetall
Gallium ist ein Element der vierten Periode, Gruppe IIIA, des Periodensystems der Elemente. Reines Gallium hat einen sehr niedrigen Schmelzpunkt von nur 29,78 °C, aber einen hohen Siedepunkt von 2204,8 °C. Im Sommer liegt Gallium größtenteils in flüssiger Form vor und schmilzt, wenn man es in die Handfläche hält. Aus den oben genannten Eigenschaften lässt sich schließen, dass Gallium aufgrund seines niedrigen Schmelzpunkts andere Metalle korrodieren kann. Flüssiges Gallium bildet Legierungen mit anderen Metallen, was das bereits erwähnte magische Phänomen darstellt. Sein Gehalt in der Erdkruste beträgt nur etwa 0,001 %, und seine Existenz wurde erst vor 140 Jahren entdeckt. Im Jahr 1871 fasste der russische Chemiker Mendelejew das Periodensystem der Elemente zusammen und sagte voraus, dass es nach Zink unterhalb von Aluminium ein Element mit ähnlichen Eigenschaften wie Aluminium gibt, das als „aluminiumähnliches Element“ bezeichnet wird. Als der französische Wissenschaftler Bowabordland im Jahr 1875 die Spektralliniengesetze von Metallelementen derselben Familie untersuchte, stieß er auf ein seltsames Lichtband in Sphalerit (ZnS). Er fand dieses „aluminiumähnliche Element“ und benannte es nach seinem Heimatland Frankreich (Gallien, lateinisch Gallia), wobei das Symbol Ga dieses Element repräsentierte. Damit war Gallium das erste Element, das in der Geschichte der Entdeckung chemischer Elemente vorhergesagt wurde, und wurde dann in Experimenten als bestätigtes Element nachgewiesen.
Gallium ist hauptsächlich in China, Deutschland, Frankreich, Australien, Kasachstan und anderen Ländern der Welt verbreitet. Chinas Galliumreserven machen mehr als 95 % der weltweiten Gesamtreserven aus und befinden sich vorwiegend in Shanxi, Guizhou, Yunnan, Henan, Guangxi und anderen Ländern [1]. In Shanxi und Shandong ist Gallium vorwiegend in Bauxit, in Yunnan in Zinnerz und in Hunan in Sphalerit enthalten. Zu Beginn seiner Entdeckung galt Gallium aufgrund fehlender Anwendungsforschung als wenig brauchbar. Mit der Weiterentwicklung der Informationstechnologie und dem Zeitalter neuer Energien und Hochtechnologie erlangte Gallium jedoch zunehmende Bedeutung als wichtiges Material im Informationsbereich, und die Nachfrage danach ist stark gestiegen.
2. Anwendungsgebiete von metallischem Gallium
1. Halbleiterbereich
Gallium wird hauptsächlich im Bereich der Halbleitermaterialien eingesetzt, wobei Galliumarsenid (GaAs) am weitesten verbreitet ist und die Technologie am weitesten fortgeschritten ist. Als Träger der Informationsverbreitung machen Halbleitermaterialien 80 bis 85 % des gesamten Galliumverbrauchs aus und werden hauptsächlich in der drahtlosen Kommunikation eingesetzt. Galliumarsenid-Leistungsverstärker können die Kommunikationsübertragungsgeschwindigkeit auf das Hundertfache von 4G-Netzen erhöhen, was für den Übergang ins 5G-Zeitalter von entscheidender Bedeutung sein kann. Darüber hinaus kann Gallium aufgrund seiner thermischen Eigenschaften, seines niedrigen Schmelzpunkts, seiner hohen Wärmeleitfähigkeit und seines guten Fließverhaltens als Wärmeableitungsmedium in Halbleiteranwendungen eingesetzt werden. Die Verwendung von Galliummetall in Form einer Galliumlegierung in Wärmeleitmaterialien kann die Wärmeableitungsfähigkeit und Effizienz elektronischer Bauteile verbessern.
2. Solarzellen
Die Entwicklung von Solarzellen hat sich von frühen monokristallinen Silizium-Solarzellen hin zu polykristallinen Silizium-Dünnschichtzellen entwickelt. Aufgrund der hohen Kosten polykristalliner Silizium-Dünnschichtzellen entdeckten Forscher Kupfer-Indium-Gallium-Selen-Dünnschichtzellen (CIGS) als Halbleitermaterialien [3]. CIGS-Zellen bieten die Vorteile niedriger Produktionskosten, der Produktion in großen Stückzahlen und einer hohen photoelektrischen Umwandlungsrate und eröffnen somit breite Entwicklungsperspektiven. Darüber hinaus weisen Galliumarsenid-Solarzellen im Vergleich zu Dünnschichtzellen aus anderen Materialien deutlich höhere Umwandlungseffizienzen auf. Aufgrund der hohen Produktionskosten von Galliumarsenid werden sie derzeit jedoch hauptsächlich in der Luft- und Raumfahrt sowie im Militärbereich eingesetzt.
3. Wasserstoffenergie
Angesichts des weltweit zunehmenden Bewusstseins für die Energiekrise suchen die Menschen nach Ersatz für nicht erneuerbare Energiequellen, wobei Wasserstoffenergie eine herausragende Rolle spielt. Die hohen Kosten und die geringe Sicherheit der Speicherung und des Transports von Wasserstoff behindern jedoch die Entwicklung dieser Technologie. Als das am häufigsten vorkommende Metall in der Erdkruste kann Aluminium unter bestimmten Bedingungen mit Wasser zu Wasserstoff reagieren und ist daher ein ideales Material zur Wasserstoffspeicherung. Da metallisches Aluminium jedoch leicht an der Oberfläche oxidiert und dabei eine dichte Aluminiumoxidschicht bildet, die die Reaktion hemmt, haben Forscher herausgefunden, dass metallisches Gallium mit niedrigem Schmelzpunkt eine Legierung mit Aluminium bilden kann. Gallium kann die oberflächliche Aluminiumoxidschicht auflösen, wodurch die Reaktion fortschreiten kann [4]. Das metallische Gallium kann recycelt und wiederverwendet werden. Die Verwendung von Aluminium-Gallium-Legierungen löst das Problem der schnellen Bereitstellung, sicheren Speicherung und des Transports von Wasserstoffenergie erheblich und verbessert so Sicherheit, Wirtschaftlichkeit und Umweltschutz.
4. Medizinischer Bereich
Gallium wird aufgrund seiner einzigartigen Strahlungseigenschaften häufig in der Medizin eingesetzt, was sich zur Bildgebung und Hemmung bösartiger Tumore eignet. Galliumverbindungen wirken antimykotisch und antibakteriell und bewirken durch die Störung des bakteriellen Stoffwechsels eine Sterilisation. Galliumlegierungen eignen sich zur Herstellung von Thermometern, beispielsweise Gallium-Indium-Zinn-Thermometern, einer neuartigen Flüssigmetalllegierung, die sicher, ungiftig und umweltfreundlich ist und giftige Quecksilberthermometer ersetzen kann. Darüber hinaus ersetzt ein gewisser Anteil der galliumbasierten Legierung das traditionelle Silberamalgam und wird in klinischen Anwendungen als neues Zahnfüllungsmaterial eingesetzt.
3. Ausblick
Obwohl China einer der weltweit größten Galliumproduzenten ist, stößt die chinesische Galliumindustrie weiterhin auf zahlreiche Probleme. Aufgrund des geringen Galliumgehalts als Begleitmineral sind die Galliumproduktionsbetriebe verstreut, und die industrielle Kette weist Schwachstellen auf. Der Abbauprozess ist mit erheblichen Umweltbelastungen verbunden, und die Produktionskapazität für hochreines Gallium ist relativ gering. Die Produktion basiert hauptsächlich auf dem Export von Grobgallium zu niedrigen Preisen und dem Import von raffiniertem Gallium zu hohen Preisen. Mit der Entwicklung von Wissenschaft und Technologie, der Verbesserung des Lebensstandards der Bevölkerung und der zunehmenden Verwendung von Gallium in den Bereichen Information und Energie wird jedoch auch die Nachfrage nach Gallium rapide steigen. Die relativ rückständige Produktionstechnologie für hochreines Gallium wird Chinas industrielle Entwicklung zwangsläufig behindern. Die Entwicklung neuer Technologien ist für eine qualitativ hochwertige Entwicklung von Wissenschaft und Technologie in China von großer Bedeutung.
Veröffentlichungszeit: 17. Mai 2023