المنهي المعدني - الغاليوم

هناك نوع من المعدن سحري للغاية. ويظهر في الحياة اليومية في صورة سائلة مثل الزئبق. إذا قمت بإسقاطها على علبة، فسوف تتفاجأ عندما تجد أن الزجاجة أصبحت هشة مثل الورق، وسوف تنكسر بمجرد وخزة. بالإضافة إلى ذلك، فإن سقوطه على معادن مثل النحاس والحديد يسبب أيضًا هذه الحالة، والتي يمكن أن يطلق عليها "المنهي المعدني". ما الذي يجعل لها مثل هذه الخصائص؟ اليوم سوف ندخل عالم معدن الغاليوم .

1- ما هو العنصرمعدن الغاليوم

يقع عنصر الغاليوم في المجموعة الرابعة IIIA في الجدول الدوري للعناصر. نقطة انصهار الغاليوم النقي منخفضة جدًا، فقط 29.78 درجة مئوية، لكن نقطة الغليان تصل إلى 2204.8 درجة مئوية. وفي الصيف يتواجد معظمه على شكل سائل ويمكن إذابته عند وضعه في راحة اليد. من الخصائص المذكورة أعلاه، يمكننا أن نفهم أن الغاليوم يمكن أن يؤدي إلى تآكل المعادن الأخرى على وجه التحديد بسبب نقطة انصهاره المنخفضة. ويشكل الغاليوم السائل سبائك مع معادن أخرى، وهي الظاهرة السحرية التي ذكرناها سابقاً. ويبلغ محتواه في القشرة الأرضية حوالي 0.001% فقط، ولم يُكتشف وجوده إلا قبل 140 عاماً. في عام 1871، قام الكيميائي الروسي مندليف بتلخيص الجدول الدوري للعناصر وتوقع أنه بعد الزنك، يوجد أيضًا عنصر أسفل الألومنيوم، والذي له خصائص مشابهة للألمنيوم ويسمى "العنصر الشبيه بالألمنيوم". في عام 1875، عندما كان العالم الفرنسي بوابوردلاند يدرس قوانين الخط الطيفي للعناصر المعدنية من نفس العائلة، وجد شريطًا ضوئيًا غريبًا في السفاليريت (ZnS)، فعثر على هذا "العنصر الشبيه بالألمنيوم"، ثم أطلق عليه اسم وطنه الأم. فرنسا (الغالية، باللاتينية Gallia)، ورمزها Ga لتمثيل هذا العنصر، وبذلك أصبح الغاليوم أول عنصر تم التنبؤ به في تاريخ اكتشاف العنصر الكيميائي، ثم وجد العنصر المؤكد في التجارب.

يتم توزيع الغاليوم بشكل رئيسي في الصين وألمانيا وفرنسا وأستراليا وكازاخستان ودول أخرى في العالم، حيث تمثل احتياطيات موارد الغاليوم في الصين أكثر من 95٪ من الإجمالي العالمي، وتوزع بشكل رئيسي في شانشي وقويتشو ويوننان وخنان وقوانغشي. وغير ذلك من المواضع [١]. من حيث نوع التوزيع، شانشي وشاندونغ وأماكن أخرى موجودة بشكل رئيسي في البوكسيت ويوننان وأماكن أخرى في خام القصدير، وهونان وأماكن أخرى موجودة بشكل رئيسي في السفاليريت. في بداية اكتشاف معدن الغاليوم، وبسبب عدم وجود أبحاث مقابلة حول تطبيقه، اعتقد الناس دائمًا أنه معدن ذو قابلية منخفضة للاستخدام. ومع ذلك، مع التطور المستمر لتكنولوجيا المعلومات وعصر الطاقة الجديدة والتكنولوجيا الفائقة، حظي معدن الغاليوم بالاهتمام باعتباره مادة مهمة في مجال المعلومات، كما زاد الطلب عليه بشكل كبير.

2 、 مجالات تطبيق معدن الغاليوم

1. مجال أشباه الموصلات

يستخدم الغاليوم بشكل أساسي في مجال المواد شبه الموصلة، حيث تكون مادة زرنيخيد الغاليوم (GaAs) هي الأكثر استخدامًا على نطاق واسع والتكنولوجيا هي الأكثر نضجًا. وباعتبارها ناقلًا لنشر المعلومات، تمثل المواد شبه الموصلة ما بين 80% إلى 85% من إجمالي استهلاك الغاليوم، والذي يستخدم بشكل رئيسي في الاتصالات اللاسلكية. يمكن لمضخمات طاقة زرنيخيد الغاليوم زيادة سرعة نقل الاتصالات إلى 100 مرة مقارنة بشبكات 4G، والتي يمكن أن تلعب دورًا مهمًا في دخول عصر 5G. علاوة على ذلك، يمكن استخدام الغاليوم كوسيلة لتبديد الحرارة في تطبيقات أشباه الموصلات بسبب خصائصه الحرارية، ونقطة الانصهار المنخفضة، والتوصيل الحراري العالي، وأداء التدفق الجيد. إن تطبيق معدن الغاليوم على شكل سبيكة أساسها الغاليوم في مواد الواجهة الحرارية يمكن أن يحسن قدرة تبديد الحرارة وكفاءة المكونات الإلكترونية.

2. الخلايا الشمسية

لقد انتقل تطور الخلايا الشمسية من الخلايا الشمسية السليكونية أحادية البلورة المبكرة إلى خلايا الأغشية الرقيقة المصنوعة من السيليكون متعدد البلورات. نظرًا لارتفاع تكلفة خلايا الأغشية الرقيقة من السيليكون متعدد البلورات، اكتشف الباحثون خلايا الأغشية الرقيقة من النحاس والإنديوم والغاليوم والسيلينيوم (CIGS) في مواد أشباه الموصلات [3]. تتمتع خلايا CIGS بمزايا تكاليف الإنتاج المنخفضة، وإنتاج الدفعات الكبيرة، ومعدل التحويل الكهروضوئي العالي، وبالتالي لديها آفاق تطوير واسعة. ثانيًا، تتمتع الخلايا الشمسية زرنيخيد الغاليوم بمزايا كبيرة في كفاءة التحويل مقارنة بخلايا الأغشية الرقيقة المصنوعة من مواد أخرى. ومع ذلك، نظرًا لارتفاع تكلفة إنتاج مواد زرنيخيد الغاليوم، فإنها تستخدم حاليًا بشكل رئيسي في مجال الطيران والمجالات العسكرية.

3. الطاقة الهيدروجينية

مع تزايد الوعي بأزمة الطاقة في جميع أنحاء العالم، يسعى الناس إلى استبدال مصادر الطاقة غير المتجددة، وأبرزها الطاقة الهيدروجينية. ومع ذلك، فإن التكلفة العالية وانخفاض مستوى الأمان لتخزين الهيدروجين ونقله يعيقان تطوير هذه التكنولوجيا. باعتباره العنصر المعدني الأكثر وفرة في القشرة الأرضية، يمكن للألمنيوم أن يتفاعل مع الماء لإنتاج الهيدروجين تحت ظروف معينة، وهو مادة مثالية لتخزين الهيدروجين، ولكن بسبب سهولة أكسدة سطح معدن الألومنيوم لتشكيل طبقة كثيفة من أكسيد الألومنيوم مما يثبط التفاعل، وقد وجد الباحثون أن معدن الغاليوم ذو نقطة انصهار منخفضة يمكن أن يشكل سبيكة مع الألومنيوم، ويمكن للجاليوم أن يذيب طلاء أكسيد الألومنيوم السطحي، مما يسمح بمواصلة التفاعل [4]، كما يمكن إعادة تدوير معدن الغاليوم وإعادة استخدامه. . إن استخدام مواد سبائك الألومنيوم الغاليوم يحل إلى حد كبير مشكلة الإعداد السريع والتخزين الآمن ونقل طاقة الهيدروجين، مما يحسن السلامة والاقتصاد وحماية البيئة.

4. المجال الطبي

يستخدم الغاليوم بشكل شائع في المجال الطبي بسبب خصائصه الإشعاعية الفريدة، والتي يمكن استخدامها لتصوير الأورام الخبيثة وتثبيطها. تمتلك مركبات الغاليوم أنشطة واضحة مضادة للفطريات ومضادة للبكتيريا، وتحقق في النهاية التعقيم عن طريق التدخل في عملية التمثيل الغذائي البكتيري. ويمكن استخدام سبائك الغاليوم لصنع موازين الحرارة، مثل موازين حرارة قصدير الغاليوم والإنديوم، وهو نوع جديد من السبائك المعدنية السائلة الآمنة وغير السامة والصديقة للبيئة، ويمكن استخدامها لتحل محل موازين الحرارة الزئبقية السامة. بالإضافة إلى ذلك، تحل نسبة معينة من سبائك الغاليوم محل ملغم الفضة التقليدي وتستخدم في التطبيقات السريرية كمواد جديدة لحشو الأسنان.

3- الآفاق

على الرغم من أن الصين هي واحدة من المنتجين الرئيسيين للجاليوم في العالم، إلا أنه لا تزال هناك العديد من المشاكل في صناعة الغاليوم في الصين. نظرًا لانخفاض محتوى الغاليوم كمعدن مصاحب، فإن شركات إنتاج الغاليوم متناثرة، وهناك حلقات ضعيفة في السلسلة الصناعية. وتتسبب عملية التعدين في تلوث بيئي خطير، كما أن الطاقة الإنتاجية للجاليوم عالي النقاء ضعيفة نسبيا، حيث تعتمد بشكل أساسي على تصدير الغاليوم الخشن بأسعار منخفضة واستيراد الغاليوم المكرر بأسعار مرتفعة. ومع ذلك، مع تطور العلوم والتكنولوجيا، وتحسين مستويات معيشة الناس، والتطبيق الواسع النطاق للجاليوم في مجالات المعلومات والطاقة، فإن الطلب على الغاليوم سيزداد بسرعة أيضًا. إن تكنولوجيا الإنتاج المتخلفة نسبيا للجاليوم عالي النقاء سوف يكون لها حتما قيود على التنمية الصناعية في الصين. إن تطوير تقنيات جديدة له أهمية كبيرة لتحقيق تنمية عالية الجودة للعلوم والتكنولوجيا في الصين.