Existuje druh kovu, ktorý je veľmi magický. V každodennom živote sa objavuje v tekutej forme ako ortuť. Ak ho pustíte na plechovku, budete prekvapení, že fľaša sa stane krehkou ako papier a rozbije sa už len pichnutím. Okrem toho, pád na kovy, ako je meď a železo, tiež spôsobuje túto situáciu, ktorú možno nazvať „kovový terminátor“. Čo spôsobuje jeho takéto vlastnosti? Dnes sa pozrieme na svet kovu gálium.
1. Aký prvok jekovový gálium
Gálium sa v periodickej tabuľke prvkov nachádza v štvrtej perióde IIIA skupiny. Teplota topenia čistého gália je veľmi nízka, iba 29,78 ℃, ale bod varu dosahuje až 2204,8 ℃. V lete sa väčšina gália nachádza v kvapalnom stave a po umiestnení do dlane sa môže roztaviť. Z vyššie uvedených vlastností môžeme pochopiť, že gálium môže korodovať iné kovy práve kvôli svojej nízkej teplote topenia. Kvapalné gálium tvorí zliatiny s inými kovmi, čo je ten magický jav, ktorý bol spomenutý vyššie. Jeho obsah v zemskej kôre je len asi 0,001 % a jeho existencia bola objavená až pred 140 rokmi. V roku 1871 ruský chemik Mendelejev zhrnul periodickú tabuľku prvkov a predpovedal, že po zinku existuje pod hliníkom aj prvok, ktorý má podobné vlastnosti ako hliník a nazýva sa „prvok podobný hliníku“. V roku 1875, keď francúzsky vedec Bowabordland študoval zákony spektrálnych čiar kovových prvkov z tej istej skupiny, objavil v sfalerite (ZnS) zvláštny svetelný pás. Našiel teda tento „prvok podobný hliníku“ a pomenoval ho po svojej vlasti Francúzsku (Gália, latinsky Gallia) so symbolom Ga, ktorý tento prvok reprezentoval. Gálium sa tak stalo prvým predpovedaným prvkom v histórii objavovania chemických prvkov a následne sa ako prvok objavil v experimentoch.
Gálium sa nachádza najmä v Číne, Nemecku, Francúzsku, Austrálii, Kazachstane a ďalších krajinách sveta, pričom čínske zásoby gália tvoria viac ako 95 % svetových zásob, najmä v provinciách Shanxi, Guizhou, Yunnan, Henan, Guangxi a ďalších oblastiach [1]. Pokiaľ ide o typ rozšírenia, v provinciách Shanxi, Shandong a ďalších sa nachádzajú najmä ložiská bauxitu, v Yunnane a ďalších oblastiach cínové rudy a v Hunane a ďalších oblastiach sfalerit. Na začiatku objavovania kovového gália sa kvôli nedostatku zodpovedajúceho výskumu jeho použitia vždy verilo, že ide o kov s nízkou využiteľnosťou. S neustálym rozvojom informačných technológií a érou novej energie a high-tech si však kovový gálium získal pozornosť ako dôležitý materiál v informačnej oblasti a jeho dopyt sa tiež výrazne zvýšil.
2. Oblasti použitia kovového gália
1. Oblasť polovodičov
Gálium sa používa hlavne v oblasti polovodičových materiálov, pričom najpoužívanejším materiálom je arzenid gália (GaAs) a táto technológia je najvyspelejšia. Ako nosič informácií tvoria polovodičové materiály 80 % až 85 % celkovej spotreby gália a používajú sa najmä v bezdrôtovej komunikácii. Zosilňovače výkonu s arsenidom gália dokážu zvýšiť rýchlosť prenosu komunikácie až na 100-násobok v porovnaní so sieťami 4G, čo môže zohrať dôležitú úlohu pri vstupe do éry 5G. Okrem toho sa gálium môže použiť ako médium na odvádzanie tepla v polovodičových aplikáciách vďaka svojim tepelným vlastnostiam, nízkemu bodu topenia, vysokej tepelnej vodivosti a dobrému prietoku. Použitie kovového gália vo forme zliatiny na báze gália v tepelnoizolačných materiáloch môže zlepšiť schopnosť odvádzať teplo a účinnosť elektronických súčiastok.
2. Solárne články
Vývoj solárnych článkov prešiel od raných monokryštalických kremíkových solárnych článkov k polykryštalickým kremíkovým tenkovrstvovým článkom. Vzhľadom na vysokú cenu polykryštalických kremíkových tenkovrstvových článkov výskumníci objavili články s tenkovrstvovým článkom medi, india, gália, selénu (CIGS) v polovodičových materiáloch [3]. Články CIGS majú výhody nízkych výrobných nákladov, veľkosériovej výroby a vysokej fotoelektrickej konverzie, a preto majú široké možnosti rozvoja. Po druhé, solárne články z arsenidu gália majú v porovnaní s tenkovrstvovými článkami vyrobenými z iných materiálov významné výhody v účinnosti konverzie. Vzhľadom na vysoké výrobné náklady na materiály z arsenidu gália sa však v súčasnosti používajú hlavne v leteckom a vojenskom priemysle.
3. Vodíková energia
S rastúcim povedomím o energetickej kríze na celom svete sa ľudia snažia nahradiť neobnoviteľné zdroje energie, z ktorých vyniká vodíková energia. Vysoké náklady a nízka bezpečnosť skladovania a prepravy vodíka však brzdia rozvoj tejto technológie. Ako najrozšírenejší kovový prvok v kôre môže hliník za určitých podmienok reagovať s vodou za vzniku vodíka, ktorý je ideálnym materiálom na skladovanie vodíka. Avšak vzhľadom na ľahkú oxidáciu povrchu kovového hliníka za vzniku hustého filmu oxidu hlinitého, ktorý inhibuje reakciu, výskumníci zistili, že kovový gálium s nízkou teplotou topenia môže s hliníkom tvoriť zliatinu a gálium môže rozpustiť povrchový povlak oxidu hlinitého, čo umožňuje priebeh reakcie [4] a kovový gálium sa môže recyklovať a opätovne použiť. Použitie hliníkovo-gálových zliatin výrazne rieši problém rýchlej prípravy a bezpečného skladovania a prepravy vodíkovej energie, čím sa zlepšuje bezpečnosť, hospodárnosť a ochrana životného prostredia.
4. Lekárska oblasť
Gálium sa bežne používa v medicíne vďaka svojim jedinečným radiačným vlastnostiam, ktoré možno použiť na zobrazovanie a inhibíciu malígnych nádorov. Zlúčeniny gália majú zjavné antifungálne a antibakteriálne účinky a v konečnom dôsledku dosahujú sterilizáciu narušením bakteriálneho metabolizmu. Zliatiny gália sa môžu použiť na výrobu teplomerov, ako sú gáliovo-indiovo-cínové teplomery, nový typ tekutej kovovej zliatiny, ktorá je bezpečná, netoxická a šetrná k životnému prostrediu a môže sa použiť ako náhrada toxických ortuťových teplomerov. Okrem toho určitý podiel zliatiny na báze gália nahrádza tradičný strieborný amalgám a používa sa v klinických aplikáciách ako nový zubný výplňový materiál.
3. Výhľad
Hoci je Čína jedným z hlavných producentov gália na svete, v čínskom gáliovom priemysle stále existuje veľa problémov. Vzhľadom na nízky obsah gália ako sprievodného minerálu sú podniky na výrobu gália rozptýlené a v priemyselnom reťazci existujú slabé články. Ťažobný proces má vážne znečistenie životného prostredia a výrobná kapacita vysoko čistého gália je relatívne slabá, pričom sa spolieha najmä na vývoz hrubého gália za nízke ceny a dovoz rafinovaného gália za vysoké ceny. S rozvojom vedy a techniky, zlepšením životnej úrovne ľudí a rozšíreným používaním gália v oblasti informácií a energetiky sa však rýchlo zvýši aj dopyt po gáliu. Relatívne zaostalá technológia výroby vysoko čistého gália bude nevyhnutne obmedzovať priemyselný rozvoj Číny. Vývoj nových technológií má veľký význam pre dosiahnutie vysokokvalitného rozvoja vedy a techniky v Číne.
Čas uverejnenia: 17. mája 2023