Es gibt eine Art Metall, das sehr magisch ist. Im täglichen Leben kommt es in flüssiger Form wie Quecksilber vor. Wenn Sie es auf eine Dose fallen lassen, werden Sie überrascht sein, dass die Flasche so zerbrechlich wird wie Papier und schon bei einem Stoß zerbricht. Darüber hinaus führt auch das Auftreffen auf Metalle wie Kupfer und Eisen zu dieser Situation, die als „Metallterminator“ bezeichnet werden kann. Was führt dazu, dass es solche Eigenschaften hat? Heute betreten wir die Welt des Metallgalliums.
1、Welches Element istGalliummetall
Das Element Gallium gehört zur vierten Periodengruppe IIIA im Periodensystem der Elemente. Der Schmelzpunkt von reinem Gallium ist mit nur 29,78 °C sehr niedrig, der Siedepunkt liegt jedoch bei 2204,8 °C. Im Sommer liegt das meiste davon als Flüssigkeit vor und lässt sich schmelzen, wenn man es in die Handfläche gibt. Aus den oben genannten Eigenschaften können wir verstehen, dass Gallium gerade aufgrund seines niedrigen Schmelzpunkts andere Metalle korrodieren kann. Flüssiges Gallium bildet Legierungen mit anderen Metallen, was das bereits erwähnte magische Phänomen darstellt. Sein Anteil 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 neben Zink auch ein Element unterhalb von Aluminium gibt, das ähnliche Eigenschaften wie Aluminium hat und als „aluminiumähnliches Element“ bezeichnet wird. Als der französische Wissenschaftler Bowabordland 1875 die Spektralliniengesetze von Metallelementen derselben Familie untersuchte, entdeckte er ein seltsames Lichtband in Sphalerit (ZnS), also fand er dieses „aluminiumähnliche Element“ und benannte es dann nach seinem Heimatland Frankreich (Gallien, lateinisch Gallia), mit dem Symbol Ga zur Darstellung dieses Elements, sodass Gallium das erste Element war, das in der Geschichte der Entdeckung chemischer Elemente vorhergesagt wurde, und das dann in Experimenten bestätigt wurde.
Gallium wird hauptsächlich in China, Deutschland, Frankreich, Australien, Kasachstan und anderen Ländern der Welt vertrieben, wobei Chinas Galliumressourcenreserven mehr als 95 % der weltweiten Gesamtressourcen ausmachen und hauptsächlich in Shanxi, Guizhou, Yunnan, Henan und Guangxi verteilt sind und anderen Orten [1]. In Bezug auf die Verteilungsart gibt es in Shanxi, Shandong und anderen Orten hauptsächlich Bauxit, in Yunnan und anderen Orten Zinnerz und in Hunan und anderen Orten hauptsächlich Sphalerit. Zu Beginn der Entdeckung des Galliummetalls glaubte man mangels entsprechender Forschung zu seiner Anwendung immer, dass es sich um ein Metall mit geringer Verwendbarkeit handelt. Mit der kontinuierlichen Weiterentwicklung der Informationstechnologie und dem Zeitalter neuer Energien und Hightech hat Galliummetall jedoch als wichtiges Material im Informationsbereich an Aufmerksamkeit gewonnen und auch seine Nachfrage ist stark gestiegen.
2、 Anwendungsgebiete von metallischem Gallium
1. Halbleiterfeld
Gallium wird hauptsächlich im Bereich der Halbleitermaterialien verwendet, wobei Galliumarsenid (GaAs) am weitesten verbreitet ist und die Technologie am ausgereiftesten ist. Als Träger der Informationsverbreitung machen Halbleitermaterialien 80 bis 85 % des gesamten Galliumverbrauchs aus und werden hauptsächlich in der drahtlosen Kommunikation verwendet. Galliumarsenid-Leistungsverstärker können die Übertragungsgeschwindigkeit der Kommunikation auf das Hundertfache der 4G-Netzwerke erhöhen, was eine wichtige Rolle beim Eintritt in die 5G-Ära spielen kann. Darüber hinaus kann Gallium aufgrund seiner thermischen Eigenschaften, seines niedrigen Schmelzpunkts, seiner hohen Wärmeleitfähigkeit und seiner guten Fließleistung als Wärmeableitungsmedium in Halbleiteranwendungen eingesetzt werden. Der Einsatz von Galliummetall in Form einer Legierung auf Galliumbasis in Wärmeschnittstellenmaterialien kann die Wärmeableitungsfähigkeit und Effizienz elektronischer Komponenten verbessern.
2. Solarzellen
Die Entwicklung von Solarzellen hat sich von frühen monokristallinen Silizium-Solarzellen zu polykristallinen Silizium-Dünnschichtzellen entwickelt. Aufgrund der hohen Kosten polykristalliner Silizium-Dünnschichtzellen haben Forscher Kupfer-Indium-Gallium-Selen-Dünnschichtzellen (CIGS) in Halbleitermaterialien entdeckt [3]. CIGS-Zellen zeichnen sich durch niedrige Produktionskosten, große Produktionsmengen und eine hohe photoelektrische Umwandlungsrate aus und bieten daher breite Entwicklungsaussichten. Zweitens weisen Galliumarsenid-Solarzellen im Vergleich zu Dünnschichtzellen aus anderen Materialien erhebliche Vorteile bei der Umwandlungseffizienz auf. Aufgrund der hohen Produktionskosten von Galliumarsenid-Materialien werden diese derzeit jedoch hauptsächlich in der Luft- und Raumfahrt sowie im Militärbereich eingesetzt.
3. Wasserstoffenergie
Angesichts des zunehmenden Bewusstseins für die Energiekrise auf der ganzen Welt versuchen die Menschen, nicht erneuerbare Energiequellen zu ersetzen, wobei die Wasserstoffenergie eine herausragende Rolle spielt. Allerdings behindern die hohen Kosten und die geringe Sicherheit der Wasserstoffspeicherung und des Wasserstofftransports die Entwicklung dieser Technologie. Als das am häufigsten vorkommende Metallelement in der Kruste kann Aluminium unter bestimmten Bedingungen mit Wasser reagieren und Wasserstoff erzeugen, der ein ideales Wasserstoffspeichermaterial ist. Aufgrund der leichten Oxidation der Oberfläche von Metallaluminium entsteht jedoch ein dichter Aluminiumoxidfilm , das die Reaktion hemmt, haben Forscher herausgefunden, dass das Metall Gallium mit niedrigem Schmelzpunkt eine Legierung mit Aluminium bilden kann und Gallium die Oberflächenaluminiumoxidbeschichtung auflösen kann, wodurch die Reaktion ablaufen kann [4], und das Metall Gallium kann recycelt und wiederverwendet werden . Die Verwendung von Aluminium-Gallium-Legierungsmaterialien löst das Problem der schnellen Herstellung und 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 im medizinischen Bereich verwendet und kann zur Bildgebung und Hemmung bösartiger Tumore eingesetzt werden. Galliumverbindungen haben offensichtlich antimykotische und antibakterielle Wirkungen und bewirken letztendlich eine Sterilisierung, indem sie in den bakteriellen Stoffwechsel eingreifen. Und Galliumlegierungen können zur Herstellung von Thermometern wie Gallium-Indium-Zinn-Thermometern verwendet werden, einer neuen Art von Flüssigmetalllegierung, die sicher, ungiftig und umweltfreundlich ist und als Ersatz für giftige Quecksilberthermometer verwendet werden kann. Darüber hinaus ersetzt ein gewisser Anteil einer Legierung auf Galliumbasis das traditionelle Silberamalgam und wird in klinischen Anwendungen als neues Zahnfüllungsmaterial verwendet.
3、 Ausblick
Obwohl China einer der größten Galliumproduzenten der Welt ist, gibt es in der chinesischen Galliumindustrie immer noch viele Probleme. Aufgrund des geringen Gehalts an Gallium als Begleitmineral sind die Galliumproduktionsbetriebe verstreut und es gibt Schwachstellen in der Industriekette. Der Abbauprozess ist mit einer erheblichen Umweltverschmutzung verbunden, und die Produktionskapazität von hochreinem Gallium ist relativ schwach, da sie hauptsächlich auf den Export von grobem Gallium zu niedrigen Preisen und den Import von raffiniertem Gallium zu hohen Preisen angewiesen ist. Mit der Entwicklung von Wissenschaft und Technologie, der Verbesserung des Lebensstandards der Menschen und der weit verbreiteten Anwendung von Gallium in den Bereichen Information und Energie wird jedoch auch die Nachfrage nach Gallium rapide steigen. Die relativ rückständige Produktionstechnologie von hochreinem Gallium wird zwangsläufig Einschränkungen für die industrielle Entwicklung Chinas mit sich bringen. Die Entwicklung neuer Technologien ist von großer Bedeutung für die Erzielung einer qualitativ hochwertigen Entwicklung von Wissenschaft und Technologie in China.
Zeitpunkt der Veröffentlichung: 17. Mai 2023