هناك نوع من المعادن له سحر خاص. يظهر في حياتنا اليومية على شكل سائل كالزئبق. إذا أسقطته على علبة، ستُفاجأ بأن الزجاجة تصبح هشة كالورق، وتنكسر بمجرد وخزة. كما أن سقوطه على معادن كالنحاس والحديد يُسبب هذه الحالة، والتي يُمكن تسميتها بـ"مُنهي المعادن". ما الذي يُسبب هذه الخاصية؟ سنتعرف اليوم على معدن الغاليوم.
1. ما هو العنصر؟معدن الغاليوم
يقع عنصر الغاليوم في المجموعة الرابعة IIIA في الجدول الدوري للعناصر. درجة انصهار الغاليوم النقي منخفضة جدًا، حيث تبلغ 29.78 درجة مئوية فقط، ولكن درجة غليانه تصل إلى 2204.8 درجة مئوية. في الصيف، يوجد معظمه على شكل سائل ويمكن إذابته عند وضعه في راحة اليد. من الخصائص المذكورة أعلاه، يمكننا أن نفهم أن الغاليوم يمكن أن يتسبب في تآكل المعادن الأخرى على وجه التحديد بسبب درجة انصهاره المنخفضة. يشكل الغاليوم السائل سبائك مع معادن أخرى، وهي الظاهرة السحرية المذكورة سابقًا. تبلغ نسبته في قشرة الأرض حوالي 0.001٪ فقط، ولم يتم اكتشاف وجوده إلا قبل 140 عامًا. في عام 1871، لخص الكيميائي الروسي مندلييف الجدول الدوري للعناصر وتوقع أنه بعد الزنك، يوجد أيضًا عنصر أسفل الألومنيوم، له خصائص مماثلة للألومنيوم ويُطلق عليه "عنصر شبيه بالألومنيوم". في عام 1875، عندما كان العالم الفرنسي بوابورلاند يدرس قوانين الخطوط الطيفية للعناصر المعدنية من نفس العائلة، وجد شريطًا ضوئيًا غريبًا في السفاليرايت (ZnS)، فوجد هذا "العنصر المشابه للألمنيوم"، ثم أطلق عليه اسم وطنه فرنسا (Gaul، باللاتينية Gallia)، مع الرمز Ga لتمثيل هذا العنصر، فأصبح الغاليوم أول عنصر تم التنبؤ به في تاريخ اكتشاف العناصر الكيميائية، 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 إجمالي العالم، ويتم توزيعها بشكل رئيسي في شانشي وقويتشو ويوننان وخنان وقوانغشي وأماكن أخرى [1]. من حيث نوع التوزيع، توجد شانشي وشاندونغ وأماكن أخرى بشكل رئيسي في البوكسيت، ويوننان وأماكن أخرى في خام القصدير، وهونان وأماكن أخرى توجد بشكل رئيسي في سفاليريت. في بداية اكتشاف معدن الغاليوم، بسبب نقص الأبحاث المقابلة حول تطبيقه، اعتقد الناس دائمًا أنه معدن ذو قابلية استخدام منخفضة. ومع ذلك، مع التطور المستمر لتكنولوجيا المعلومات وعصر الطاقة الجديدة والتكنولوجيا الفائقة، تلقى معدن الغاليوم الاهتمام كمادة مهمة في مجال المعلومات، كما زاد الطلب عليه بشكل كبير.
2. مجالات تطبيق معدن الجاليوم
1. مجال أشباه الموصلات
يُستخدم الغاليوم بشكل رئيسي في مجال مواد أشباه الموصلات، حيث يُعدّ زرنيخيد الغاليوم (GaAs) الأكثر استخدامًا والأكثر نضجًا في هذه التكنولوجيا. وبصفته ناقلًا للمعلومات، تُشكّل مواد أشباه الموصلات ما بين 80% و85% من إجمالي استهلاك الغاليوم، ويُستخدم بشكل رئيسي في الاتصالات اللاسلكية. ويمكن لمضخمات طاقة زرنيخيد الغاليوم زيادة سرعة نقل الاتصالات إلى 100 ضعف سرعة شبكات الجيل الرابع، مما يُسهم في دخول عصر الجيل الخامس. علاوة على ذلك، يُمكن استخدام الغاليوم كوسيط لتبديد الحرارة في تطبيقات أشباه الموصلات نظرًا لخصائصه الحرارية، وانخفاض درجة انصهاره، وموصليته الحرارية العالية، وأداء تدفقه الجيد. ويمكن أن يُحسّن استخدام معدن الغاليوم على شكل سبيكة أساسها الغاليوم في مواد الواجهة الحرارية من قدرة تبديد الحرارة وكفاءة المكونات الإلكترونية.
2. الخلايا الشمسية
تطورت الخلايا الشمسية من خلايا السيليكون أحادية البلورة المبكرة إلى خلايا الأغشية الرقيقة المصنوعة من السيليكون متعدد البلورات. ونظرًا لارتفاع تكلفة خلايا الأغشية الرقيقة المصنوعة من السيليكون متعدد البلورات، اكتشف الباحثون خلايا الأغشية الرقيقة المصنوعة من النحاس والإنديوم والغاليوم والسيلينيوم (CIGS) في مواد أشباه الموصلات [3]. تتميز خلايا CIGS بانخفاض تكاليف الإنتاج، والإنتاج بكميات كبيرة، ومعدل تحويل ضوئي عالي، مما يوفر آفاقًا واسعة للتطوير. ثانيًا، تتميز خلايا زرنيخيد الغاليوم الشمسية بمزايا كبيرة في كفاءة التحويل مقارنةً بخلايا الأغشية الرقيقة المصنوعة من مواد أخرى. ومع ذلك، نظرًا لارتفاع تكلفة إنتاج مواد زرنيخيد الغاليوم، تُستخدم حاليًا بشكل رئيسي في مجالي الفضاء والجيش.
3. طاقة الهيدروجين
مع تزايد الوعي بأزمة الطاقة في جميع أنحاء العالم، يسعى الناس إلى استبدال مصادر الطاقة غير المتجددة، ومن أبرزها طاقة الهيدروجين. إلا أن التكلفة العالية وانخفاض مستوى أمان تخزين ونقل الهيدروجين يعيقان تطوير هذه التقنية. ولأن الألومنيوم هو العنصر المعدني الأكثر وفرة في القشرة الأرضية، فإنه يتفاعل مع الماء لإنتاج الهيدروجين في ظل ظروف معينة، مما يجعله مادة مثالية لتخزين الهيدروجين. ومع ذلك، وبسبب سهولة أكسدة سطح معدن الألومنيوم لتكوين طبقة كثيفة من أكسيد الألومنيوم، مما يعيق التفاعل، وجد الباحثون أن معدن الغاليوم منخفض درجة الانصهار يمكن أن يشكل سبيكة مع الألومنيوم، حيث يذيب الغاليوم طبقة أكسيد الألومنيوم السطحية، مما يسمح باستمرار التفاعل [4]، ويمكن إعادة تدوير معدن الغاليوم وإعادة استخدامه. إن استخدام مواد سبائك الألومنيوم والغاليوم يحل بشكل كبير مشكلة التحضير السريع والتخزين والنقل الآمن لطاقة الهيدروجين، مما يحسن السلامة والاقتصاد وحماية البيئة.
4. المجال الطبي
يُستخدم الغاليوم بشكل شائع في المجال الطبي نظرًا لخصائصه الإشعاعية الفريدة، والتي يمكن استخدامها لتصوير الأورام الخبيثة وتثبيطها. تتميز مركبات الغاليوم بخصائص مضادة للفطريات والبكتيريا، وتُحقق التعقيم من خلال تثبيط عملية الأيض البكتيري. كما يمكن استخدام سبائك الغاليوم في صناعة موازين الحرارة، مثل موازين الحرارة المصنوعة من الغاليوم والإنديوم والقصدير، وهي نوع جديد من سبائك المعادن السائلة الآمنة وغير السامة والصديقة للبيئة، ويمكن استخدامها كبديل لموازين الحرارة الزئبقية السامة. بالإضافة إلى ذلك، تُستبدل نسبة معينة من سبائك الغاليوم بملغم الفضة التقليدي، وتُستخدم في التطبيقات السريرية كمواد جديدة لحشو الأسنان.
3. أوتلوك
على الرغم من أن الصين تُعدّ من أبرز مُنتجي الغاليوم في العالم، إلا أن صناعة الغاليوم الصينية لا تزال تُعاني من العديد من المشاكل. فنظرًا لانخفاض مُحتوى الغاليوم كمعدن مُصاحب، تتشتت شركات إنتاج الغاليوم، وتضعف حلقات السلسلة الصناعية. كما تُسبب عملية التعدين تلوثًا بيئيًا خطيرًا، وتُعدّ الطاقة الإنتاجية للغاليوم عالي النقاء ضعيفة نسبيًا، حيث تعتمد بشكل رئيسي على تصدير الغاليوم الخام بأسعار منخفضة واستيراد الغاليوم المُكرر بأسعار مرتفعة. ومع ذلك، مع تطور العلوم والتكنولوجيا، وتحسين مستوى معيشة الناس، وانتشار استخدام الغاليوم في مجالات المعلومات والطاقة، سيزداد الطلب على الغاليوم بسرعة أيضًا. وستُشكّل تكنولوجيا إنتاج الغاليوم عالي النقاء المُتخلفة نسبيًا قيودًا حتمية على التنمية الصناعية في الصين. ويُعدّ تطوير تقنيات جديدة أمرًا بالغ الأهمية لتحقيق تنمية عالية الجودة للعلوم والتكنولوجيا في الصين.
وقت النشر: ١٧ مايو ٢٠٢٣