Il existe un métal aux propriétés magiques. Dans la vie quotidienne, il apparaît sous forme liquide, comme le mercure. Si vous le laissez tomber sur une canette, vous serez surpris de constater que la bouteille devient aussi fragile que du papier et se brise d'un simple coup. De plus, le laisser tomber sur des métaux comme le cuivre et le fer provoque également ce phénomène, appelé « terminateur métallique ». D'où lui vient cette propriété ? Aujourd'hui, nous allons découvrir le gallium métallique.
1、Quel élément estmétal gallium
Le gallium appartient au groupe IIIA de la quatrième période du tableau périodique des éléments. Son point de fusion est très bas, seulement 29,78 °C, mais son point d'ébullition atteint 2204,8 °C. En été, il est principalement liquide et peut fondre dans la paume de la main. Ces propriétés suggèrent que le gallium peut corroder d'autres métaux précisément en raison de son bas point de fusion. Le gallium liquide forme des alliages avec d'autres métaux, phénomène magique évoqué précédemment. Sa présence dans la croûte terrestre n'est que d'environ 0,001 % et son existence n'a été découverte qu'il y a 140 ans. En 1871, le chimiste russe Mendeleïev a résumé le tableau périodique des éléments et a prédit qu'après le zinc, il existe un élément situé sous l'aluminium, aux propriétés similaires à celles de l'aluminium, appelé « élément alumino-similaire ». En 1875, alors que le scientifique français Bowabordland étudiait les lois des raies spectrales des éléments métalliques de la même famille, il a découvert une étrange bande lumineuse dans la sphalérite (ZnS), il a donc trouvé cet « élément semblable à l'aluminium », puis l'a nommé d'après sa patrie la France (Gaule, latin Gallia), avec le symbole Ga pour représenter cet élément, ainsi le gallium est devenu le premier élément prédit dans l'histoire de la découverte des éléments chimiques, puis a trouvé l'élément confirmé dans des expériences.
Français Le gallium est principalement distribué en Chine, en Allemagne, en France, en Australie, au Kazakhstan et dans d'autres pays du monde, dont les réserves de gallium de la Chine représentent plus de 95 % du total mondial, principalement réparties dans le Shanxi, le Guizhou, le Yunnan, le Henan, le Guangxi et d'autres endroits [1]. En termes de type de distribution, le Shanxi, le Shandong et d'autres endroits se trouvent principalement dans la bauxite, le Yunnan et d'autres endroits dans le minerai d'étain, et le Hunan et d'autres endroits se trouvent principalement dans la sphalérite. Au début de la découverte du métal gallium, en raison du manque de recherche correspondante sur son application, les gens ont toujours pensé que c'était un métal avec une faible utilisabilité. Cependant, avec le développement continu des technologies de l'information et l'ère des nouvelles énergies et de la haute technologie, le métal gallium a reçu une attention comme un matériau important dans le domaine de l'information, et sa demande a également considérablement augmenté.
2、 Domaines d'application du gallium métallique
1. Domaine des semi-conducteurs
Le gallium est principalement utilisé dans le domaine des matériaux semi-conducteurs, l'arséniure de gallium (GaAs) étant le matériau le plus répandu et la technologie la plus aboutie. En tant que vecteurs de diffusion de l'information, les matériaux semi-conducteurs représentent 80 à 85 % de la consommation totale de gallium, principalement utilisé dans les communications sans fil. Les amplificateurs de puissance en arséniure de gallium peuvent multiplier par 100 la vitesse de transmission des communications par rapport aux réseaux 4G, ce qui pourrait jouer un rôle important dans l'entrée dans l'ère de la 5G. De plus, le gallium peut être utilisé comme agent de dissipation thermique dans les applications de semi-conducteurs grâce à ses caractéristiques thermiques, son bas point de fusion, sa conductivité thermique élevée et ses bonnes performances d'écoulement. L'utilisation de gallium métallique sous forme d'alliage à base de gallium dans les matériaux d'interface thermique peut améliorer la capacité de dissipation thermique et le rendement des composants électroniques.
2. Cellules solaires
Le développement des cellules solaires est passé des premières cellules solaires en silicium monocristallin aux cellules à couches minces en silicium polycristallin. En raison du coût élevé de ces cellules, les chercheurs ont découvert des cellules à couches minces de cuivre, d'indium, de gallium et de sélénium (CIGS) dans des matériaux semi-conducteurs [3]. Les cellules CIGS présentent les avantages d'un faible coût de production, d'une production en grandes quantités et d'un taux de conversion photoélectrique élevé, offrant ainsi de vastes perspectives de développement. Deuxièmement, les cellules solaires à l'arséniure de gallium présentent des avantages significatifs en termes d'efficacité de conversion par rapport aux cellules à couches minces fabriquées dans d'autres matériaux. Cependant, en raison de leur coût de production élevé, elles sont actuellement principalement utilisées dans les domaines aérospatial et militaire.
3. L'énergie de l'hydrogène
Face à la prise de conscience croissante de la crise énergétique mondiale, les populations cherchent à remplacer les sources d'énergie non renouvelables, dont l'hydrogène est la principale source d'énergie. Cependant, le coût élevé et la faible sécurité du stockage et du transport de l'hydrogène freinent le développement de cette technologie. Élément métallique le plus abondant dans la croûte terrestre, l'aluminium peut réagir avec l'eau pour produire de l'hydrogène sous certaines conditions, ce qui en fait un matériau idéal pour le stockage de l'hydrogène. Cependant, en raison de la facilité d'oxydation de sa surface, qui forme un film dense d'oxyde d'aluminium inhibant la réaction, les chercheurs ont découvert que le gallium, un métal à bas point de fusion, peut former un alliage avec l'aluminium. Le gallium peut dissoudre le revêtement d'oxyde d'aluminium de surface, permettant ainsi à la réaction de se poursuivre [4]. Le gallium métallique peut être recyclé et réutilisé. L'utilisation d'alliages d'aluminium et de gallium résout considérablement le problème de la préparation rapide, du stockage et du transport sûrs de l'hydrogène, améliorant ainsi la sécurité, l'économie et la protection de l'environnement.
4. Domaine médical
Le gallium est couramment utilisé dans le domaine médical en raison de ses propriétés radiologiques uniques, qui permettent l'imagerie et l'inhibition des tumeurs malignes. Les composés de gallium possèdent des propriétés antifongiques et antibactériennes évidentes, et permettent une stérilisation en interférant avec le métabolisme bactérien. Les alliages de gallium peuvent également être utilisés pour fabriquer des thermomètres, notamment les thermomètres gallium-indium-étain, un nouvel alliage métallique liquide sûr, non toxique et respectueux de l'environnement, qui peut remplacer les thermomètres à mercure toxiques. De plus, une certaine proportion d'alliage à base de gallium remplace l'amalgame d'argent traditionnel et est utilisée en clinique comme nouveau matériau d'obturation dentaire.
3、 Perspectives
Bien que la Chine soit l'un des principaux producteurs mondiaux de gallium, son industrie reste confrontée à de nombreux problèmes. En raison de la faible teneur en gallium, minéral d'accompagnement, les entreprises de production sont dispersées et la chaîne industrielle présente des faiblesses. L'extraction minière est fortement polluante et la capacité de production de gallium de haute pureté est relativement faible, reposant principalement sur l'exportation de gallium brut à bas prix et l'importation de gallium raffiné à prix élevé. Cependant, avec le développement des sciences et des technologies, l'amélioration du niveau de vie de la population et la généralisation des applications du gallium dans les domaines de l'information et de l'énergie, la demande en gallium va également augmenter rapidement. Le retard relatif des technologies de production de gallium de haute pureté pèsera inévitablement sur le développement industriel de la Chine. Le développement de nouvelles technologies est crucial pour un développement scientifique et technologique de qualité en Chine.
Date de publication : 17 mai 2023