Մետաղական տերմինատոր - գալիում

Կա մետաղի մի տեսակ, որը շատ կախարդական է։ Առօրյա կյանքում այն ​​հայտնվում է հեղուկ վիճակում, ինչպես սնդիկը։ Եթե այն գցեք տարայի վրա, կզարմանաք, երբ տեսնեք, որ շիշը դառնում է նույնքան փխրուն, որքան թուղթը, և այն կկոտրվի ընդամենը մեկ հարվածով։ Բացի այդ, այն մետաղների վրա գցելը, ինչպիսիք են պղինձը և երկաթը, նույնպես առաջացնում է այս իրավիճակը, որը կարելի է անվանել «մետաղական տերմինատոր»։ Ի՞նչն է առաջացնում դրա նման բնութագրերը։ Այսօր մենք կանդրադառնանք մետաղական գալիումի աշխարհին։

1. Ի՞նչ տարր էգալիում մետաղ

Գալիում տարրը տարրերի պարբերական աղյուսակում գտնվում է չորրորդ պարբերության IIIA խմբում: Մաքուր գալիումի հալման կետը շատ ցածր է՝ ընդամենը 29.78 ℃, բայց եռման կետը հասնում է մինչև 2204.8 ℃-ի: Ամռանը դրա մեծ մասը գոյություն ունի որպես հեղուկ և կարող է հալվել ափի մեջ դնելիս: Վերոնշյալ հատկություններից կարող ենք հասկանալ, որ գալիումը կարող է քայքայել այլ մետաղներ հենց իր ցածր հալման կետի պատճառով: Հեղուկ գալիումը առաջացնում է համաձուլվածքներ այլ մետաղների հետ, ինչը վերը նշված կախարդական երևույթ է: Երկրի կեղևում դրա պարունակությունը կազմում է ընդամենը մոտ 0.001%, և դրա գոյությունը հայտնաբերվել է միայն 140 տարի առաջ: 1871 թվականին ռուս քիմիկոս Մենդելեևը ամփոփեց տարրերի պարբերական աղյուսակը և կանխատեսեց, որ ցինկից հետո ալյումինից հետո կա նաև մի տարր, որն ունի ալյումինին նման հատկություններ և կոչվում է «ալյումինանման տարր»: 1875 թվականին, երբ ֆրանսիացի գիտնական Բովաբորդլանդը ուսումնասիրում էր նույն ընտանիքի մետաղական տարրերի սպեկտրալ գծի օրենքները, նա սֆալերիտի (ZnS) մեջ հայտնաբերեց տարօրինակ լուսային գոտի, ուստի նա հայտնաբերեց այս «ալյումինանման տարրը», ապա այն անվանեց իր հայրենիք Ֆրանսիայի (Գալիա, լատիներեն Gallia) անունով՝ Ga նշանով, որը ներկայացնում էր այս տարրը, այսպիսով գալիումը դարձավ քիմիական տարրերի հայտնագործման պատմության մեջ կանխատեսված առաջին տարրը, ապա հաստատվեց փորձերի միջոցով։

Գալիումը հիմնականում տարածված է Չինաստանում, Գերմանիայում, Ֆրանսիայում, Ավստրալիայում, Ղազախստանում և աշխարհի այլ երկրներում, որոնցից Չինաստանի գալիումի պաշարները կազմում են աշխարհի ընդհանուր պաշարների ավելի քան 95%-ը, հիմնականում տարածված են Շանսիում, Գուիչժոուում, Յուննանում, Հենանում, Գուանսիում և այլ վայրերում [1]: Տարածման տեսակի առումով Շանսիում, Շանդոնգում և այլ վայրերում հիմնականում առկա է բոքսիտ, Յուննանում և այլ վայրերում՝ անագի հանքաքար, իսկ Հունանում և այլ վայրերում՝ սֆալերիտ: Գալիում մետաղի հայտնաբերման սկզբում, դրա կիրառման վերաբերյալ համապատասխան հետազոտությունների բացակայության պատճառով, մարդիկ միշտ կարծում էին, որ այն ցածր օգտագործելիություն ունեցող մետաղ է: Սակայն, տեղեկատվական տեխնոլոգիաների շարունակական զարգացման և նոր էներգիայի ու բարձր տեխնոլոգիաների դարաշրջանի հետ մեկտեղ, գալիումը որպես տեղեկատվական ոլորտի կարևոր նյութ ուշադրության է արժանացել, և դրա պահանջարկը նույնպես զգալիորեն աճել է:

2. Գալիումի մետաղի կիրառման ոլորտները

1. Կիսահաղորդչային դաշտ

Գալիումը հիմնականում օգտագործվում է կիսահաղորդչային նյութերի ոլորտում, որտեղ գալիումի արսենիդը (GaAs) նյութն է ամենատարածվածը, իսկ տեխնոլոգիան՝ ամենահզորը։ Որպես տեղեկատվության տարածման կրող, կիսահաղորդչային նյութերը կազմում են գալիումի ընդհանուր սպառման 80%-ից 85%-ը, որը հիմնականում օգտագործվում է անլար կապի մեջ։ Գալիումի արսենիդային հզորության ուժեղացուցիչները կարող են կապի փոխանցման արագությունը մեծացնել մինչև 4G ցանցերի արագությունը 100 անգամ, ինչը կարող է կարևոր դեր խաղալ 5G դարաշրջան մտնելու գործում։ Ավելին, գալիումը կարող է օգտագործվել որպես ջերմափոխանակիչ կիսահաղորդչային կիրառություններում՝ իր ջերմային բնութագրերի, ցածր հալման կետի, բարձր ջերմահաղորդականության և լավ հոսքի կատարողականության շնորհիվ։ Գալիում մետաղի կիրառումը գալիումի վրա հիմնված համաձուլվածքի տեսքով ջերմային ինտերֆեյսային նյութերում կարող է բարելավել էլեկտրոնային բաղադրիչների ջերմափոխանակման ունակությունը և արդյունավետությունը։

2. Արևային մարտկոցներ

Արևային մարտկոցների զարգացումը վաղ մոնոբյուրեղային սիլիցիումային արևային մարտկոցներից անցել է պոլիբյուրեղային սիլիցիումային բարակ թաղանթային մարտկոցների: Պոլիկրիստալային սիլիցիումային բարակ թաղանթային բջիջների բարձր գնի պատճառով հետազոտողները կիսահաղորդչային նյութերում հայտնաբերել են պղնձի, ինդիումի, գալիումի, սելենի բարակ թաղանթային (CIGS) բջիջներ [3]: CIGS բջիջներն ունեն ցածր արտադրական ծախսերի, մեծ խմբաքանակի արտադրության և բարձր ֆոտոէլեկտրական փոխակերպման արագության առավելություններ, հետևաբար ունեն զարգացման լայն հեռանկարներ: Երկրորդ, գալիումի արսենիդի արևային մարտկոցներն ունեն զգալի առավելություններ փոխակերպման արդյունավետության մեջ՝ համեմատած այլ նյութերից պատրաստված բարակ թաղանթային բջիջների հետ: Այնուամենայնիվ, գալիումի արսենիդի նյութերի բարձր արտադրական գնի պատճառով դրանք ներկայումս հիմնականում օգտագործվում են ավիատիեզերական և ռազմական ոլորտներում:

3. Ջրածնի էներգիա

Աշխարհում էներգետիկ ճգնաժամի մասին իրազեկվածության աճին զուգընթաց, մարդիկ ձգտում են փոխարինել ոչ վերականգնվող էներգիայի աղբյուրները, որոնցից առանձնանում է ջրածնային էներգիան: Սակայն, ջրածնի պահեստավորման և տեղափոխման բարձր արժեքը և ցածր անվտանգությունը խոչընդոտում են այս տեխնոլոգիայի զարգացմանը: Որպես երկրակեղևի ամենատարածված մետաղական տարր, ալյումինը որոշակի պայմաններում կարող է ռեակցիայի մեջ մտնել ջրի հետ՝ ջրածին արտադրելով, ինչը իդեալական ջրածնի պահեստավորման նյութ է: Սակայն, մետաղական ալյումինի մակերեսի հեշտ օքսիդացման և խիտ ալյումինի օքսիդային թաղանթի առաջացման շնորհիվ, որը կասեցնում է ռեակցիան, հետազոտողները պարզել են, որ ցածր հալման կետ ունեցող մետաղական գալիումը կարող է ալյումինի հետ համաձուլվածք առաջացնել, իսկ գալիումը կարող է լուծարել ալյումինի օքսիդի մակերեսային ծածկույթը՝ թույլ տալով ռեակցիայի ընթացքը [4], և մետաղական գալիումը կարող է վերամշակվել և վերօգտագործվել: Ալյումին-գալիումային համաձուլվածքի նյութերի օգտագործումը մեծապես լուծում է ջրածնային էներգիայի արագ պատրաստման և անվտանգ պահեստավորման և տեղափոխման խնդիրը՝ բարելավելով անվտանգությունը, տնտեսությունը և շրջակա միջավայրի պաշտպանությունը:

4. Բժշկական ոլորտ

Գալիումը լայնորեն օգտագործվում է բժշկական ոլորտում՝ իր յուրահատուկ ճառագայթային հատկությունների շնորհիվ, որոնք կարող են օգտագործվել չարորակ ուռուցքների պատկերման և կանխարգելման համար: Գալիումի միացություններն ունեն ակնհայտ հակասնկային և հակաբակտերիալ ակտիվություն և, ի վերջո, հասնում են ստերիլիզացման՝ խանգարելով մանրէային նյութափոխանակությանը: Եվ գալիումի համաձուլվածքները կարող են օգտագործվել ջերմաչափեր պատրաստելու համար, ինչպիսիք են գալիում-ինդիում-անագ ջերմաչափերը, որոնք հեղուկ մետաղական համաձուլվածքի նոր տեսակ են, որը անվտանգ է, ոչ թունավոր և էկոլոգիապես մաքուր, և կարող է օգտագործվել թունավոր սնդիկային ջերմաչափերը փոխարինելու համար: Բացի այդ, գալիումի վրա հիմնված համաձուլվածքի որոշակի մասը փոխարինում է ավանդական արծաթե ամալգամին և օգտագործվում է կլինիկական կիրառություններում որպես նոր ատամնաբուժական լցոնման նյութ:

3. Հեռանկար

Չնայած Չինաստանը աշխարհում գալիումի հիմնական արտադրողներից մեկն է, Չինաստանի գալիումի արդյունաբերության մեջ դեռևս կան բազմաթիվ խնդիրներ: Գալիումի ցածր պարունակության պատճառով որպես ուղեկցող հանքանյութ, գալիումի արտադրող ձեռնարկությունները ցրված են, և արդյունաբերական շղթայում կան թույլ օղակներ: Հանքարդյունաբերության գործընթացը լուրջ շրջակա միջավայրի աղտոտում է առաջացնում, իսկ բարձր մաքրության գալիումի արտադրության հզորությունը համեմատաբար թույլ է, հիմնականում հիմնված է ցածր գներով խոշորացված գալիումի արտահանման և բարձր գներով մաքրված գալիումի ներմուծման վրա: Այնուամենայնիվ, գիտության և տեխնոլոգիայի զարգացման, մարդկանց կենսամակարդակի բարելավման և տեղեկատվության ու էներգետիկայի ոլորտներում գալիումի լայն կիրառման հետ մեկտեղ, գալիումի պահանջարկը նույնպես արագ կաճի: Բարձր մաքրության գալիումի համեմատաբար հետամնաց արտադրության տեխնոլոգիան անխուսափելիորեն սահմանափակումներ կառաջացնի Չինաստանի արդյունաբերական զարգացման վրա: Նոր տեխնոլոգիաների մշակումը մեծ նշանակություն ունի Չինաստանում գիտության և տեխնոլոգիայի բարձրորակ զարգացման հասնելու համար: