Il existe une sorte de métal très magique. Dans la vie quotidienne, il apparaît sous forme liquide comme le mercure. Si vous le déposez sur une canette, vous serez surpris de constater que la bouteille devient aussi fragile que du papier et qu'elle se brisera d'un simple coup. De plus, le laisser tomber sur des métaux comme le cuivre et le fer provoque également cette situation, que l’on peut appeler le « terminateur métallique ». Qu’est-ce qui lui confère de telles caractéristiques ? Aujourd'hui, nous entrerons dans le monde du gallium métallique.
1、Quel élément estgallium métal
L’élément gallium appartient au groupe de la quatrième période IIIA du tableau périodique des éléments. Le point de fusion du gallium pur est très bas, seulement 29,78 ℃, mais le point d'ébullition atteint 2204,8 ℃. En été, la majeure partie existe sous forme liquide et peut fondre lorsqu’elle est placée dans la paume. D’après les propriétés ci-dessus, nous pouvons comprendre que le gallium peut corroder d’autres métaux précisément en raison de son faible point de fusion. Le gallium liquide forme des alliages avec d’autres métaux, ce qui constitue le phénomène magique mentionné précédemment. Sa teneur 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 y aurait également un élément sous l'aluminium, qui a des propriétés similaires à l'aluminium et est appelé « élément semblable à l'aluminium ». En 1875, alors que le scientifique français Bowabordland étudiait les lois des raies spectrales des éléments métalliques de la même famille, il découvrit une étrange bande lumineuse dans la sphalérite (ZnS), il trouva donc cet « élément semblable à l'aluminium », et lui donna ensuite le nom de sa patrie. France (Gaule, Latin Gallia), avec le symbole Ga pour représenter cet élément, le gallium est donc devenu le premier élément prédit dans l'histoire de la découverte des éléments chimiques, puis a trouvé l'élément confirmé dans les expériences.
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 ressources en gallium de la Chine représentent plus de 95 % du total mondial, principalement réparties dans le Shanxi, le Guizhou, le Yunnan, le Henan et le Guangxi. et d'autres endroits [1]. En termes de type de distribution, le Shanxi, le Shandong et d'autres endroits existent principalement dans la bauxite, le Yunnan et d'autres endroits dans le minerai d'étain, et le Hunan et d'autres endroits existent principalement dans la sphalérite. Au début de la découverte du gallium métallique, en raison du manque de recherches correspondantes sur son application, les gens ont toujours cru qu'il s'agissait d'un métal peu utilisable. Cependant, avec le développement continu des technologies de l'information et l'ère des nouvelles énergies et de la haute technologie, le gallium métal a retenu l'attention en tant que 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, le matériau arséniure de gallium (GaAs) étant le plus largement utilisé et la technologie la plus mature. 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 la communication sans fil. Les amplificateurs de puissance à l'arséniure de gallium peuvent augmenter la vitesse de transmission des communications jusqu'à 100 fois celle des réseaux 4G, ce qui peut jouer un rôle important dans l'entrée dans l'ère 5G. De plus, le gallium peut être utilisé comme moyen de dissipation thermique dans les applications de semi-conducteurs en raison de ses caractéristiques thermiques, de son faible point de fusion, de sa conductivité thermique élevée et de ses bonnes performances d'écoulement. L'application de gallium métallique sous la forme d'un alliage à base de gallium dans des matériaux d'interface thermique peut améliorer la capacité de dissipation thermique et l'efficacité 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 de silicium polycristallin. En raison du coût élevé des cellules à couches minces de silicium polycristallin, 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 de faibles coûts de production, d'une production en grands lots et d'un taux de conversion photoélectrique élevé, offrant ainsi de larges 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 à partir d'autres matériaux. Cependant, en raison du coût de production élevé des matériaux à base d’arséniure de gallium, ils sont actuellement principalement utilisés dans les domaines aérospatial et militaire.
3. Énergie hydrogène
Avec la prise de conscience croissante de la crise énergétique dans le monde entier, les gens cherchent à remplacer les sources d'énergie non renouvelables, parmi lesquelles se distingue l'énergie hydrogène. Cependant, le coût élevé et la faible sécurité du stockage et du transport de l’hydrogène freinent le développement de cette technologie. En tant qu'élément métallique le plus abondant dans la croûte, l'aluminium peut réagir avec l'eau pour produire de l'hydrogène dans certaines conditions, ce qui constitue un matériau de stockage d'hydrogène idéal. Cependant, en raison de l'oxydation facile de la surface de l'aluminium métallique pour former un film dense d'oxyde d'aluminium. , qui inhibe la réaction, les chercheurs ont découvert que le gallium métallique à bas point de fusion peut former un alliage avec l'aluminium et que le gallium peut dissoudre le revêtement d'oxyde d'aluminium de la surface, permettant ainsi à la réaction de se dérouler [4], et que le gallium métallique peut être recyclé et réutilisé. . L'utilisation de matériaux en alliage d'aluminium et de gallium résout grandement le problème de la préparation rapide, du stockage et du transport sûrs de l'énergie 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 de rayonnement uniques, qui peuvent être utilisées pour l’imagerie et l’inhibition des tumeurs malignes. Les composés de gallium ont des activités antifongiques et antibactériennes évidentes et permettent finalement la stérilisation en interférant avec le métabolisme bactérien. Et les alliages de gallium peuvent être utilisés pour fabriquer des thermomètres, tels que les thermomètres au gallium-indium-étain, un nouveau type d'alliage de métal liquide qui est sûr, non toxique et respectueux de l'environnement, et peut être utilisé pour 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 dans les applications cliniques comme nouveau matériau d’obturation dentaire.
3、Perspectives
Bien que la Chine soit l'un des principaux producteurs de gallium au monde, de nombreux problèmes subsistent dans l'industrie chinoise du gallium. En raison de la faible teneur en gallium comme minéral compagnon, les entreprises de production de gallium sont dispersées et les maillons de la chaîne industrielle sont faibles. Le processus d'extraction entraîne une grave pollution environnementale et la capacité de production de gallium de haute pureté est relativement faible, reposant principalement sur l'exportation de gallium grossier à bas prix et l'importation de gallium raffiné à des prix élevés. Cependant, avec le développement de la science et de la technologie, l'amélioration du niveau de vie des populations et l'application généralisée du gallium dans les domaines de l'information et de l'énergie, la demande de gallium augmentera également rapidement. La technologie de production relativement arriérée du gallium de haute pureté aura inévitablement des contraintes sur le développement industriel de la Chine. Le développement de nouvelles technologies revêt une grande importance pour parvenir à un développement scientifique et technologique de haute qualité en Chine.
Heure de publication : 17 mai 2023