نوعی فلز وجود دارد که بسیار جادویی است. در زندگی روزمره، مانند جیوه به صورت مایع ظاهر می‌شود. اگر آن را روی یک قوطی بیندازید، با کمال تعجب متوجه خواهید شد که بطری به شکننده‌ای کاغذ می‌شود و تنها با یک ضربه می‌شکند. علاوه بر این، انداختن آن روی فلزاتی مانند مس و آهن نیز باعث ایجاد این وضعیت می‌شود که می‌توان آن را «خاتمه‌دهنده فلز» نامید. چه چیزی باعث می‌شود که چنین ویژگی‌هایی داشته باشد؟ امروز وارد دنیای گالیوم فلزی خواهیم شد.
۱. چه عنصری است؟فلز گالیوم
عنصر گالیم در گروه دوره چهارم IIIA در جدول تناوبی عناصر قرار دارد. نقطه ذوب گالیم خالص بسیار پایین است، تنها ۲۹.۷۸ درجه سانتیگراد، اما نقطه جوش آن به ۲۲۰۴.۸ درجه سانتیگراد می‌رسد. در تابستان، بیشتر آن به صورت مایع وجود دارد و وقتی در کف دست قرار می‌گیرد، می‌تواند ذوب شود. از خواص فوق می‌توان فهمید که گالیم دقیقاً به دلیل نقطه ذوب پایین خود می‌تواند فلزات دیگر را دچار خوردگی کند. گالیم مایع با فلزات دیگر آلیاژ تشکیل می‌دهد، که همان پدیده جادویی است که قبلاً به آن اشاره شد. محتوای آن در پوسته زمین تنها حدود ۰.۰۰۱٪ است و وجود آن تا ۱۴۰ سال پیش کشف نشده بود. در سال ۱۸۷۱، مندلیف، شیمیدان روسی، جدول تناوبی عناصر را خلاصه کرد و پیش‌بینی کرد که پس از روی، عنصری زیر آلومینیوم نیز وجود دارد که خواص مشابهی با آلومینیوم دارد و "عنصر آلومینیوم مانند" نامیده می‌شود. در سال ۱۸۷۵، هنگامی که دانشمند فرانسوی، بوابوردلند، در حال مطالعه قوانین خطوط طیفی عناصر فلزی از همان خانواده بود، یک نوار نوری عجیب در اسفالریت (ZnS) یافت، بنابراین این «عنصر آلومینیوم مانند» را پیدا کرد و سپس آن را به نام سرزمین مادری خود فرانسه (گال، لاتین گالیا) نامگذاری کرد، با نماد Ga برای نشان دادن این عنصر، بنابراین گالیوم اولین عنصر پیش‌بینی شده در تاریخ کشف عناصر شیمیایی شد و سپس عنصر تأیید شده را در آزمایش‌ها یافت.
گالیوم عمدتاً در چین، آلمان، فرانسه، استرالیا، قزاقستان و سایر کشورهای جهان توزیع شده است که ذخایر منابع گالیوم چین بیش از 95٪ از کل ذخایر جهان را تشکیل می‌دهد و عمدتاً در شانشی، گوئیژو، یوننان، هنان، گوانگشی و سایر مناطق توزیع شده است [1]. از نظر نوع توزیع، شانشی، شاندونگ و سایر مناطق عمدتاً در بوکسیت، یوننان و سایر مناطق در سنگ معدن قلع و هونان و سایر مناطق عمدتاً در اسفالریت وجود دارند. در ابتدای کشف فلز گالیوم، به دلیل عدم تحقیقات مربوطه در مورد کاربرد آن، مردم همیشه معتقد بودند که این فلز قابلیت استفاده کمی دارد. با این حال، با توسعه مداوم فناوری اطلاعات و دوران انرژی‌های جدید و فناوری پیشرفته، فلز گالیوم به عنوان یک ماده مهم در حوزه اطلاعات مورد توجه قرار گرفته و تقاضای آن نیز بسیار افزایش یافته است.
۲، زمینه‌های کاربرد فلز گالیم
۱. میدان نیمه‌هادی
گالیوم عمدتاً در زمینه مواد نیمه‌هادی استفاده می‌شود و ماده گالیوم آرسنید (GaAs) پرکاربردترین و فناوری آن بالغ‌ترین است. مواد نیمه‌هادی به عنوان حامل انتشار اطلاعات، 80 تا 85 درصد از کل مصرف گالیوم را تشکیل می‌دهند که عمدتاً در ارتباطات بی‌سیم استفاده می‌شود. تقویت‌کننده‌های قدرت گالیوم آرسنید می‌توانند سرعت انتقال ارتباطات را تا 100 برابر شبکه‌های 4G افزایش دهند که می‌تواند نقش مهمی در ورود به دوران 5G داشته باشد. علاوه بر این، گالیوم به دلیل ویژگی‌های حرارتی، نقطه ذوب پایین، رسانایی حرارتی بالا و عملکرد جریان خوب، می‌تواند به عنوان یک واسطه اتلاف گرما در کاربردهای نیمه‌هادی مورد استفاده قرار گیرد. استفاده از فلز گالیوم به شکل آلیاژ مبتنی بر گالیوم در مواد رابط حرارتی می‌تواند توانایی اتلاف گرما و کارایی قطعات الکترونیکی را بهبود بخشد.
۲. سلول‌های خورشیدی
توسعه سلول‌های خورشیدی از سلول‌های خورشیدی سیلیکونی تک‌بلوری اولیه به سلول‌های لایه نازک سیلیکونی چندبلوری رسیده است. با توجه به هزینه بالای سلول‌های لایه نازک سیلیکونی چندبلوری، محققان سلول‌های لایه نازک مس ایندیوم گالیوم سلنیوم (CIGS) را در مواد نیمه‌هادی کشف کرده‌اند [3]. سلول‌های CIGS مزایای هزینه‌های تولید پایین، تولید انبوه و نرخ تبدیل فوتوالکتریک بالا را دارند، بنابراین چشم‌انداز توسعه گسترده‌ای دارند. ثانیاً، سلول‌های خورشیدی گالیوم آرسنید در مقایسه با سلول‌های لایه نازک ساخته شده از مواد دیگر، مزایای قابل توجهی در راندمان تبدیل دارند. با این حال، به دلیل هزینه بالای تولید مواد گالیوم آرسنید، آنها در حال حاضر عمدتاً در زمینه‌های هوافضا و نظامی استفاده می‌شوند.
۳. انرژی هیدروژن
با افزایش آگاهی از بحران انرژی در سراسر جهان، مردم به دنبال جایگزینی منابع انرژی تجدیدناپذیر هستند که در این میان، انرژی هیدروژن برجسته است. با این حال، هزینه بالا و ایمنی پایین ذخیره‌سازی و حمل و نقل هیدروژن مانع توسعه این فناوری می‌شود. آلومینیوم به عنوان فراوان‌ترین عنصر فلزی در پوسته زمین، می‌تواند تحت شرایط خاصی با آب واکنش داده و هیدروژن تولید کند که یک ماده ایده‌آل برای ذخیره‌سازی هیدروژن است. با این حال، به دلیل اکسیداسیون آسان سطح فلز آلومینیوم برای تشکیل یک لایه اکسید آلومینیوم متراکم که مانع از واکنش می‌شود، محققان دریافته‌اند که فلز گالیم با نقطه ذوب پایین می‌تواند با آلومینیوم آلیاژ تشکیل دهد و گالیم می‌تواند پوشش اکسید آلومینیوم سطحی را حل کند و امکان ادامه واکنش را فراهم کند [4] و فلز گالیم قابل بازیافت و استفاده مجدد است. استفاده از مواد آلیاژی آلومینیوم گالیم تا حد زیادی مشکل آماده‌سازی سریع و ذخیره‌سازی و حمل و نقل ایمن انرژی هیدروژن را حل می‌کند و ایمنی، اقتصاد و حفاظت از محیط زیست را بهبود می‌بخشد.
۴. رشته پزشکی
گالیوم به دلیل خواص تابشی منحصر به فرد خود، که می‌تواند برای تصویربرداری و مهار تومورهای بدخیم مورد استفاده قرار گیرد، معمولاً در زمینه پزشکی مورد استفاده قرار می‌گیرد. ترکیبات گالیوم دارای فعالیت‌های ضد قارچی و ضد باکتریایی آشکاری هستند و در نهایت با تداخل در متابولیسم باکتری‌ها، به استریلیزاسیون دست می‌یابند. و آلیاژهای گالیوم می‌توانند برای ساخت دماسنج‌ها، مانند دماسنج‌های گالیوم ایندیوم قلع، نوع جدیدی از آلیاژ فلز مایع که ایمن، غیرسمی و سازگار با محیط زیست است و می‌تواند جایگزین دماسنج‌های جیوه‌ای سمی شود، استفاده شوند. علاوه بر این، نسبت مشخصی از آلیاژ مبتنی بر گالیوم جایگزین آمالگام نقره سنتی می‌شود و در کاربردهای بالینی به عنوان ماده پرکننده جدید دندان استفاده می‌شود.
۳. چشم‌انداز
اگرچه چین یکی از تولیدکنندگان اصلی گالیوم در جهان است، اما هنوز مشکلات زیادی در صنعت گالیوم چین وجود دارد. به دلیل محتوای کم گالیوم به عنوان یک ماده معدنی همراه، شرکت‌های تولید گالیوم پراکنده هستند و حلقه‌های ضعیفی در زنجیره صنعتی وجود دارد. فرآیند استخراج، آلودگی زیست‌محیطی جدی دارد و ظرفیت تولید گالیوم با خلوص بالا نسبتاً ضعیف است و عمدتاً به صادرات گالیوم خام با قیمت پایین و واردات گالیوم تصفیه شده با قیمت بالا متکی است. با این حال، با توسعه علم و فناوری، بهبود استانداردهای زندگی مردم و کاربرد گسترده گالیوم در زمینه‌های اطلاعات و انرژی، تقاضا برای گالیوم نیز به سرعت افزایش خواهد یافت. فناوری نسبتاً عقب‌مانده تولید گالیوم با خلوص بالا، ناگزیر محدودیت‌هایی را بر توسعه صنعتی چین ایجاد خواهد کرد. توسعه فناوری‌های جدید برای دستیابی به توسعه با کیفیت بالای علم و فناوری در چین از اهمیت بالایی برخوردار است.
زمان ارسال: ۱۷ مه ۲۰۲۳