ترمیناتور فلزی - گالیوم

نوعی فلز وجود دارد که بسیار جادویی است.در زندگی روزمره به شکل مایع مانند جیوه ظاهر می شود.اگر آن را روی قوطی بیندازید، با تعجب خواهید دید که بطری مانند کاغذ شکننده می شود و تنها با فشار دادن آن می شکند.علاوه بر این، ریختن آن بر روی فلزاتی مانند مس و آهن نیز باعث ایجاد این وضعیت می شود که می توان آن را «فصل کننده فلز» نامید.چه چیزی باعث می شود چنین ویژگی هایی داشته باشد؟امروز وارد دنیای فلز گالیوم خواهیم شد.

1- عنصر چیستفلز گالیوم

عنصر گالیوم در جدول تناوبی عناصر در گروه دوره چهارم IIIA قرار دارد.نقطه ذوب گالیم خالص بسیار پایین است، فقط 29.78 ℃، اما نقطه جوش به 2204.8 ℃ است.در تابستان، بیشتر آن به صورت مایع وجود دارد و زمانی که در کف دست قرار می گیرد، ذوب می شود.از خواص فوق می توان فهمید که گالیم دقیقاً به دلیل نقطه ذوب پایین می تواند فلزات دیگر را خورده کند.گالیم مایع با فلزات دیگر آلیاژهایی تشکیل می دهد که این پدیده جادویی است که قبلاً ذکر شد.محتوای آن در پوسته زمین تنها حدود 0.001٪ است و وجود آن تا 140 سال پیش کشف نشده بود.در سال 1871، مندلیف شیمیدان روسی جدول تناوبی عناصر را خلاصه کرد و پیش بینی کرد که بعد از روی، عنصری در زیر آلومینیوم نیز وجود دارد که خواصی مشابه آلومینیوم دارد و «عنصر مشابه آلومینیوم» نامیده می شود.در سال 1875، زمانی که دانشمند فرانسوی بوابوردلند در حال مطالعه قوانین خطوط طیفی عناصر فلزی یک خانواده بود، نوار نوری عجیبی را در اسفالریت (ZnS) یافت، بنابراین این عنصر آلومینیومی را پیدا کرد و سپس آن را به نام سرزمین مادری خود نامگذاری کرد. فرانسه (Gaul، Gallia لاتین)، با نماد Ga به نمایندگی از این عنصر، بنابراین گالیم به اولین عنصر پیش بینی شده در تاریخ کشف عنصر شیمیایی تبدیل شد و سپس عنصر تایید شده را در آزمایشات پیدا کرد.

گالیوم عمدتاً در چین، آلمان، فرانسه، استرالیا، قزاقستان و سایر کشورهای جهان توزیع می شود که ذخایر گالیوم چین بیش از 95 درصد کل جهان را تشکیل می دهد که عمدتاً در شانشی، گوئیژو، یوننان، هنان، گوانگشی توزیع شده است. و جاهای دیگر [1].از نظر نوع توزیع، شانشی، شاندونگ و جاهای دیگر عمدتاً در بوکسیت، یوننان و جاهای دیگر در سنگ معدن قلع و هونان و سایر مکان‌ها عمدتاً در اسفالریت وجود دارند.در ابتدای کشف فلز گالیوم، به دلیل عدم انجام تحقیقات مربوطه در مورد کاربرد آن، مردم همیشه بر این باور بودند که فلزی با قابلیت استفاده کم است.با این حال، با توسعه مداوم فناوری اطلاعات و عصر انرژی های جدید و فناوری پیشرفته، فلز گالیم به عنوان یک ماده مهم در زمینه اطلاعات مورد توجه قرار گرفته و تقاضای آن نیز بسیار افزایش یافته است.

2، زمینه های کاربردی گالیم فلزی

1. میدان نیمه هادی

گالیوم عمدتاً در زمینه مواد نیمه هادی استفاده می شود، با مواد آرسنید گالیم (GaAs) که بیشترین استفاده را دارد و فناوری آن بالغ ترین است.به عنوان حامل انتشار اطلاعات، مواد نیمه هادی 80 تا 85 درصد از کل مصرف گالیوم را تشکیل می دهند که عمدتاً در ارتباطات بی سیم استفاده می شود.تقویت کننده های قدرت گالیوم آرسنید می توانند سرعت انتقال ارتباطات را تا 100 برابر شبکه های 4G افزایش دهند که می تواند نقش مهمی در ورود به عصر 5G داشته باشد.علاوه بر این، گالیم به دلیل ویژگی‌های حرارتی، نقطه ذوب پایین، هدایت حرارتی بالا و عملکرد جریان خوب، می‌تواند به عنوان یک محیط اتلاف حرارت در کاربردهای نیمه‌رسانا استفاده شود.استفاده از فلز گالیوم به شکل یک آلیاژ مبتنی بر گالیم در مواد رابط حرارتی می تواند توانایی اتلاف گرما و کارایی قطعات الکترونیکی را بهبود بخشد.

2. سلول های خورشیدی

توسعه سلول های خورشیدی از سلول های خورشیدی سیلیکونی تک کریستالی اولیه به سلول های لایه نازک سیلیکونی چند کریستالی تبدیل شده است.با توجه به هزینه بالای سلول های لایه نازک سیلیکونی پلی کریستالی، محققان سلول های فیلم نازک سلنیوم سلنیوم گالیوم مس ایندیم (CIGS) را در مواد نیمه هادی کشف کرده اند [3].سلول‌های CIGS دارای مزایای هزینه‌های تولید پایین، تولید دسته‌ای بزرگ و نرخ تبدیل فوتوالکتریک بالا هستند، بنابراین چشم‌انداز توسعه گسترده‌ای دارند.ثانیا، سلول‌های خورشیدی آرسنید گالیم 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 آرسنید گالیوم، در حال حاضر عمدتاً در زمینه های هوافضا و نظامی استفاده می شود.

3. انرژی هیدروژن

با افزایش آگاهی از بحران انرژی در سرتاسر جهان، مردم به دنبال جایگزینی منابع انرژی تجدیدناپذیر هستند که انرژی هیدروژنی برجسته است.با این حال، هزینه بالا و ایمنی پایین ذخیره سازی و حمل و نقل هیدروژن مانع از توسعه این فناوری می شود.آلومینیوم به عنوان فراوان‌ترین عنصر فلزی در پوسته، می‌تواند با آب واکنش داده و تحت شرایط خاصی هیدروژن تولید کند که یک ماده ذخیره‌سازی هیدروژن ایده‌آل است، اما به دلیل اکسیداسیون آسان سطح فلز آلومینیوم برای تشکیل یک فیلم اکسید آلومینیوم متراکم. که واکنش را مهار می‌کند، محققان دریافته‌اند که فلز گالیم با نقطه ذوب پایین می‌تواند آلیاژی را با آلومینیوم تشکیل دهد و گالیم می‌تواند پوشش اکسید آلومینیوم سطح را حل کند، و اجازه می‌دهد واکنش ادامه یابد [4]، و گالیم فلزی را می‌توان بازیافت و دوباره استفاده کرد. .استفاده از مواد آلیاژ آلومینیوم گالیم مشکل آماده سازی سریع و ذخیره و حمل و نقل ایمن انرژی هیدروژن را تا حد زیادی حل می کند، ایمنی، اقتصاد و حفاظت از محیط زیست را بهبود می بخشد.

4. رشته پزشکی

گالیوم به دلیل خواص تشعشعی منحصر به فردش که می تواند برای تصویربرداری و مهار تومورهای بدخیم استفاده شود، معمولاً در زمینه پزشکی استفاده می شود.ترکیبات گالیوم دارای فعالیت های ضد قارچی و ضد باکتریایی آشکاری هستند و در نهایت با تداخل در متابولیسم باکتری ها به عقیم سازی می رسند.و آلیاژهای گالیوم را می توان برای ساخت دماسنج استفاده کرد، مانند دماسنج های قلع گالیوم ایندیم، نوع جدیدی از آلیاژ فلز مایع که ایمن، غیر سمی و سازگار با محیط زیست است و می تواند برای جایگزینی دماسنج های جیوه ای سمی استفاده شود.علاوه بر این، نسبت معینی از آلیاژ مبتنی بر گالیوم جایگزین آمالگام نقره سنتی می شود و در کاربردهای بالینی به عنوان ماده پرکننده دندان جدید استفاده می شود.

3- چشم انداز

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، شرکت های تولید گالیوم پراکنده هستند و حلقه های ضعیفی در زنجیره صنعتی وجود دارد.فرآیند استخراج دارای آلودگی زیست محیطی جدی است و ظرفیت تولید گالیم با خلوص بالا نسبتا ضعیف است که عمدتاً به صادرات گالیم درشت با قیمت پایین و واردات گالیم تصفیه شده با قیمت های بالا متکی است.با این حال، با پیشرفت علم و فناوری، بهبود استانداردهای زندگی مردم و کاربرد گسترده گالیوم در زمینه اطلاعات و انرژی، تقاضا برای گالیوم نیز به سرعت افزایش خواهد یافت.فناوری تولید نسبتاً عقب مانده گالیم با خلوص بالا ناگزیر محدودیت هایی بر توسعه صنعتی چین خواهد داشت.توسعه فناوری های جدید برای دستیابی به توسعه با کیفیت بالا علم و فناوری در چین اهمیت زیادی دارد.