On olemas üks väga maagiline metall. Igapäevaelus esineb see vedelal kujul nagu elavhõbe. Kui seda purgile pillata, on üllatav, et pudel muutub sama hapraks kui paber ja puruneb juba torkest. Lisaks põhjustab selle pillamine metallidele, näiteks vasele ja rauale, samuti olukorra, mida võib nimetada "metalli terminaatoriks". Mis põhjustab selliseid omadusi? Täna astume metalli galliumi maailma.
1. Mis element ongalliummetall
Gallium kuulub perioodilisustabeli neljanda perioodi IIIA rühma elementi. Puhta galliumi sulamistemperatuur on väga madal, vaid 29,78 ℃, kuid keemistemperatuur on koguni 2204,8 ℃. Suvel on suurem osa sellest vedelas olekus ja peopessa pannes saab seda sulatada. Eeltoodud omaduste põhjal võime aru saada, et gallium võib oma madala sulamistemperatuuri tõttu teisi metalle söövitada. Vedel gallium moodustab teiste metallidega sulameid, mis on eelnevalt mainitud maagiline nähtus. Selle sisaldus maakoores on vaid umbes 0,001% ja selle olemasolu avastati alles 140 aastat tagasi. 1871. aastal võttis vene keemik Mendelejev kokku elementide perioodilisustabeli ja ennustas, et pärast tsinki on alumiiniumist allpool veel üks element, millel on alumiiniumiga sarnased omadused ja mida nimetatakse "alumiiniumilaadseks elemendiks". 1875. aastal, kui prantsuse teadlane Bowabordimaa uuris samasse perekonda kuuluvate metallide spektraaljoonte seaduspärasusi, leidis ta sfaleriidis (ZnS) kummalise valgusriba, seega leidis ta selle „alumiiniumilaadse elemendi“ ja nimetas selle oma kodumaa Prantsusmaa (Gallia, ladina keeles Gallia) järgi, kasutades sümbolit Ga selle elemendi tähistamiseks. Nii sai galliumist esimene element, mille olemasolu ennustati keemiliste elementide avastamise ajaloos, ja seejärel leiti see element katsetes.
Galliumi leidub peamiselt Hiinas, Saksamaal, Prantsusmaal, Austraalias, Kasahstanis ja teistes maailma riikides, millest Hiina galliumivarud moodustavad üle 95% maailma koguvarudest, peamiselt Shanxis, Guizhous, Yunnanis, Henanis, Guangxis ja mujal [1]. Jaotustüübi poolest leidub Shanxis, Shandongis ja mujal peamiselt boksiidi, Yunnanis ja mujal tinamaaki ning Hunanis ja mujal peamiselt sfaleriidi. Galliumi avastamise alguses on inimesed alati uskunud, et selle rakenduse kohta puuduvad vastavad uuringud. Kuid infotehnoloogia pideva arengu ja uue energia ning kõrgtehnoloogia ajastu tõttu on galliumile pööratud tähelepanu kui olulisele materjalile infovaldkonnas ning selle nõudlus on samuti oluliselt suurenenud.
2. Metalli galliumi rakendusvaldkonnad
1. Pooljuhtide väli
Galliumi kasutatakse peamiselt pooljuhtmaterjalide valdkonnas, kusjuures galliumarseniidi (GaAs) kasutatakse kõige laialdasemalt ja selle tehnoloogia on kõige arenenum. Teabe levitamise vahendajana moodustavad pooljuhtmaterjalid 80–85% galliumi kogutarbimisest, mida kasutatakse peamiselt traadita side valdkonnas. Galliumarseniidi võimsusvõimendid võivad suurendada side edastuskiirust kuni 100 korda võrreldes 4G-võrkudega, mis võib mängida olulist rolli 5G ajastusse sisenemisel. Lisaks saab galliumi oma termiliste omaduste, madala sulamistemperatuuri, kõrge soojusjuhtivuse ja hea voolavusomaduse tõttu kasutada soojuse hajutamise keskkonnana pooljuhtide rakendustes. Galliumipõhise sulami kujul galliumimetalli kasutamine termilise liidese materjalides võib parandada elektroonikakomponentide soojuse hajutamise võimet ja efektiivsust.
2. Päikesepatareid
Päikesepatareide areng on liikunud varajastest monokristallilistest räni päikesepatareidest polükristallilistest räni õhukese kile patareideni. Polükristalliliste räni õhukese kile patareide kõrge hinna tõttu on teadlased avastanud pooljuhtmaterjalides vask-indium-gallium-seleen õhukese kile (CIGS) patareid [3]. CIGS-patareide eelisteks on madalad tootmiskulud, suurte partiide tootmine ja kõrge fotoelektriline muundamise määr, seega on neil laialdased arenguväljavaated. Teiseks on galliumarseniid päikesepatareidel märkimisväärsed eelised muundamise efektiivsuse osas võrreldes teistest materjalidest valmistatud õhukese kile patareidega. Galliumarseniidmaterjalide kõrgete tootmiskulude tõttu kasutatakse neid praegu aga peamiselt lennunduses ja sõjanduses.
3. Vesinikenergia
Energiakriisi teadlikkuse kasvades kogu maailmas otsivad inimesed taastumatuid energiaallikaid, millest vesinikenergia silma paistab. Vesiniku ladustamise ja transpordi kõrge hind ja madal ohutus takistavad aga selle tehnoloogia arengut. Maakoores kõige levinuma metallielemendina suudab alumiinium teatud tingimustel veega reageerides vesinikku toota, mis on ideaalne vesiniku ladustamise materjal. Kuna alumiiniumi pind oksüdeerub kergesti tihedaks alumiiniumoksiidkileks, mis pärsib reaktsiooni, on teadlased leidnud, et madala sulamistemperatuuriga metall gallium võib moodustada alumiiniumiga sulami ja gallium võib lahustada pinna alumiiniumoksiidkatte, võimaldades reaktsioonil jätkuda [4], ning metalli galliumi saab taaskasutada ja taaskasutada. Alumiinium-galliumisulamite kasutamine lahendab oluliselt vesinikenergia kiire valmistamise, ohutu ladustamise ja transpordi probleemi, parandades ohutust, ökonoomsust ja keskkonnakaitset.
4. Meditsiinivaldkond
Galliumi kasutatakse meditsiinivaldkonnas laialdaselt oma ainulaadsete kiirgusomaduste tõttu, mida saab kasutada pahaloomuliste kasvajate pildistamiseks ja pärssimiseks. Galliumiühenditel on ilmne seenevastane ja antibakteriaalne toime ning lõppkokkuvõttes saavutatakse steriliseerimine, häirides bakterite ainevahetust. Ja galliumsulameid saab kasutada termomeetrite valmistamiseks, näiteks galliumindiumtina termomeetrid, mis on uut tüüpi vedel metallisulam, mis on ohutu, mittetoksiline ja keskkonnasõbralik ning mida saab kasutada mürgiste elavhõbedatermomeetrite asendamiseks. Lisaks asendab teatud osa galliumipõhisest sulamist traditsioonilist hõbeamalgaami ja seda kasutatakse kliinilistes rakendustes uue hambaplommmaterjalina.
3. Väljavaated
Kuigi Hiina on üks maailma peamisi galliumi tootjaid, on Hiina galliumitööstuses endiselt palju probleeme. Kuna galliumi sisaldus kaasmineraalina on madal, on galliumi tootmisettevõtted hajutatud ja tööstusahelas on nõrku lülisid. Kaevandamisprotsess on tõsiselt saastatud ning kõrge puhtusastmega galliumi tootmisvõimsus on suhteliselt nõrk, tuginedes peamiselt jämeda galliumi ekspordile madala hinnaga ja rafineeritud galliumi impordile kõrge hinnaga. Teaduse ja tehnoloogia arengu, inimeste elatustaseme paranemise ja galliumi laialdase kasutamisega info- ja energeetikavaldkonnas kasvab aga kiiresti ka galliumi nõudlus. Kõrge puhtusastmega galliumi suhteliselt mahajäänud tootmistehnoloogia piirab paratamatult Hiina tööstusarengut. Uute tehnoloogiate arendamine on Hiina teaduse ja tehnoloogia kvaliteetse arengu saavutamiseks väga oluline.
Postituse aeg: 17. mai 2023