Có một loại kim loại rất kỳ diệu. Trong cuộc sống hàng ngày, nó xuất hiện ở dạng lỏng như thủy ngân. Nếu bạn thả nó vào một chiếc lon, bạn sẽ ngạc nhiên khi thấy rằng chiếc chai trở nên mỏng manh như tờ giấy, và nó sẽ vỡ chỉ với một cú chọc. Ngoài ra, thả nó vào các kim loại như đồng và sắt cũng gây ra tình trạng này, có thể được gọi là "kim loại hủy diệt". Nguyên nhân nào khiến nó có những đặc điểm như vậy? Hôm nay chúng ta sẽ bước vào thế giới của kim loại gali.
1、Nguyên tố nào làkim loại gali
Nguyên tố gali thuộc chu kỳ thứ tư nhóm IIIA trong bảng tuần hoàn các nguyên tố hóa học. Điểm nóng chảy của gali nguyên chất rất thấp, chỉ 29,78 ℃, nhưng điểm sôi lại cao tới 2204,8 ℃. Vào mùa hè, phần lớn gali tồn tại ở dạng lỏng và có thể tan chảy khi đặt trong lòng bàn tay. Từ các tính chất trên, chúng ta có thể hiểu rằng gali có thể ăn mòn các kim loại khác chính xác là do điểm nóng chảy thấp của nó. Gali lỏng tạo thành hợp kim với các kim loại khác, đây là hiện tượng kỳ diệu đã đề cập trước đó. Hàm lượng của nó trong lớp vỏ Trái đất chỉ khoảng 0,001% và sự tồn tại của nó chỉ được phát hiện cách đây 140 năm. Năm 1871, nhà hóa học người Nga Mendeleev đã tóm tắt bảng tuần hoàn các nguyên tố hóa học và dự đoán rằng sau kẽm, còn có một nguyên tố dưới nhôm, có tính chất tương tự như nhôm và được gọi là "nguyên tố giống nhôm". Năm 1875, khi nhà khoa học người Pháp Bobabordland đang nghiên cứu các định luật vạch quang phổ của các nguyên tố kim loại cùng họ, ông đã tìm thấy một dải sáng lạ trong sphalerite (ZnS), do đó ông đã tìm thấy "nguyên tố giống nhôm" này, và sau đó đặt tên cho nó theo tên quê hương Pháp của mình (Gaul, tiếng Latin là Gallia), với ký hiệu Ga để biểu thị nguyên tố này, do đó gali đã trở thành nguyên tố đầu tiên được dự đoán trong lịch sử phát hiện ra nguyên tố hóa học, và sau đó tìm thấy nguyên tố được xác nhận trong các thí nghiệm.
Gali chủ yếu phân bố ở Trung Quốc, Đức, Pháp, Úc, Kazakhstan và các nước khác trên thế giới, trong đó trữ lượng tài nguyên gali của Trung Quốc chiếm hơn 95% tổng trữ lượng của thế giới, chủ yếu phân bố ở Sơn Tây, Quý Châu, Vân Nam, Hà Nam, Quảng Tây và các nơi khác [1]. Về loại hình phân bố, Sơn Tây, Sơn Đông và các nơi khác chủ yếu tồn tại ở bô-xít, Vân Nam và các nơi khác ở quặng thiếc, còn Hồ Nam và các nơi khác chủ yếu tồn tại ở sphalerit. Khi mới phát hiện ra kim loại gali, do thiếu các nghiên cứu tương ứng về ứng dụng của nó, mọi người vẫn luôn cho rằng đây là kim loại có tính ứng dụng thấp. Tuy nhiên, với sự phát triển không ngừng của công nghệ thông tin và kỷ nguyên năng lượng mới và công nghệ cao, kim loại gali đã nhận được sự chú ý như một vật liệu quan trọng trong lĩnh vực thông tin và nhu cầu về nó cũng tăng lên rất nhiều.
2、 Lĩnh vực ứng dụng của kim loại Gali
1. Lĩnh vực bán dẫn
Gali chủ yếu được sử dụng trong lĩnh vực vật liệu bán dẫn, trong đó vật liệu gali arsenide (GaAs) được sử dụng rộng rãi nhất và công nghệ cũng trưởng thành nhất. Là một phương tiện truyền bá thông tin, vật liệu bán dẫn chiếm 80% đến 85% tổng lượng tiêu thụ gali, chủ yếu được sử dụng trong truyền thông không dây. Bộ khuếch đại công suất gali arsenide có thể tăng tốc độ truyền thông tin liên lạc lên gấp 100 lần so với mạng 4G, có thể đóng vai trò quan trọng trong việc bước vào kỷ nguyên 5G. Hơn nữa, gali có thể được sử dụng làm môi trường tản nhiệt trong các ứng dụng bán dẫn do đặc tính nhiệt, điểm nóng chảy thấp, độ dẫn nhiệt cao và hiệu suất dòng chảy tốt. Áp dụng kim loại gali dưới dạng hợp kim gốc gali trong vật liệu giao diện nhiệt có thể cải thiện khả năng tản nhiệt và hiệu quả của các linh kiện điện tử.
2. Pin mặt trời
Sự phát triển của pin mặt trời đã chuyển từ pin mặt trời silicon đơn tinh thể ban đầu sang pin màng mỏng silicon đa tinh thể. Do chi phí cao của pin màng mỏng silicon đa tinh thể, các nhà nghiên cứu đã phát hiện ra pin màng mỏng đồng indium gallium selenium (CIGS) trong vật liệu bán dẫn [3]. Pin CIGS có ưu điểm là chi phí sản xuất thấp, sản xuất hàng loạt lớn và tỷ lệ chuyển đổi quang điện cao, do đó có triển vọng phát triển rộng rãi. Thứ hai, pin mặt trời gali arsenide có ưu điểm đáng kể về hiệu suất chuyển đổi so với pin màng mỏng làm bằng các vật liệu khác. Tuy nhiên, do chi phí sản xuất cao của vật liệu gali arsenide nên hiện nay chúng chủ yếu được sử dụng trong lĩnh vực hàng không vũ trụ và quân sự.
3. Năng lượng hydro
Với nhận thức ngày càng tăng về cuộc khủng hoảng năng lượng trên toàn thế giới, mọi người đang tìm cách thay thế các nguồn năng lượng không tái tạo, trong đó năng lượng hydro nổi bật. Tuy nhiên, chi phí cao và độ an toàn thấp của việc lưu trữ và vận chuyển hydro cản trở sự phát triển của công nghệ này. Là nguyên tố kim loại dồi dào nhất trong lớp vỏ, nhôm có thể phản ứng với nước để tạo ra hydro trong một số điều kiện nhất định, đây là vật liệu lưu trữ hydro lý tưởng. Tuy nhiên, do bề mặt kim loại nhôm dễ bị oxy hóa tạo thành lớp màng nhôm oxit dày đặc, ức chế phản ứng, các nhà nghiên cứu đã phát hiện ra rằng gali kim loại có điểm nóng chảy thấp có thể tạo thành hợp kim với nhôm và gali có thể hòa tan lớp phủ nhôm oxit bề mặt, cho phép phản ứng tiếp tục [4] và gali kim loại có thể được tái chế và tái sử dụng. Việc sử dụng vật liệu hợp kim nhôm gali giải quyết đáng kể vấn đề chuẩn bị nhanh chóng và lưu trữ và vận chuyển an toàn năng lượng hydro, cải thiện tính an toàn, kinh tế và bảo vệ môi trường.
4. Lĩnh vực y tế
Gali thường được sử dụng trong lĩnh vực y tế do tính chất bức xạ độc đáo của nó, có thể được sử dụng để chụp ảnh và ức chế khối u ác tính. Các hợp chất của Gali có hoạt tính kháng nấm và kháng khuẩn rõ ràng, và cuối cùng đạt được khả năng khử trùng bằng cách can thiệp vào quá trình trao đổi chất của vi khuẩn. Và hợp kim của Gali có thể được sử dụng để chế tạo nhiệt kế, chẳng hạn như nhiệt kế thiếc Gali Indi, một loại hợp kim kim loại lỏng mới an toàn, không độc hại và thân thiện với môi trường, và có thể được sử dụng để thay thế nhiệt kế thủy ngân độc hại. Ngoài ra, một tỷ lệ nhất định hợp kim gốc Gali thay thế cho amalgam bạc truyền thống và được sử dụng trong các ứng dụng lâm sàng như một vật liệu trám răng mới.
3、 Triển vọng
Mặc dù Trung Quốc là một trong những nước sản xuất gali chính trên thế giới, nhưng ngành công nghiệp gali của Trung Quốc vẫn còn nhiều vấn đề. Do hàm lượng gali thấp như một khoáng chất đồng hành, các doanh nghiệp sản xuất gali phân tán, và có những mắt xích yếu trong chuỗi công nghiệp. Quá trình khai thác gây ô nhiễm môi trường nghiêm trọng, và năng lực sản xuất gali có độ tinh khiết cao tương đối yếu, chủ yếu dựa vào xuất khẩu gali thô với giá thấp và nhập khẩu gali tinh chế với giá cao. Tuy nhiên, với sự phát triển của khoa học và công nghệ, mức sống của người dân được cải thiện và ứng dụng rộng rãi của gali trong các lĩnh vực thông tin và năng lượng, nhu cầu về gali cũng sẽ tăng nhanh chóng. Công nghệ sản xuất gali có độ tinh khiết cao tương đối lạc hậu chắc chắn sẽ có những hạn chế đối với sự phát triển công nghiệp của Trung Quốc. Phát triển các công nghệ mới có ý nghĩa to lớn để đạt được sự phát triển khoa học và công nghệ chất lượng cao ở Trung Quốc.
Thời gian đăng: 17-05-2023