Hay un tipo de metal con una magia especial. En la vida diaria, se presenta en forma líquida, como el mercurio. Si lo dejas caer sobre una lata, te sorprenderá descubrir que la botella se vuelve tan frágil como el papel y se rompe con solo un golpe. Además, al caer sobre metales como el cobre y el hierro, también se produce esta situación, conocida como el "terminador de metales". ¿Qué le da estas características? Hoy nos adentraremos en el mundo del galio metálico.
1、¿Qué elemento es?galio metálico
El galio se encuentra en el grupo IIIA del cuarto período de la tabla periódica de los elementos. Su punto de fusión es muy bajo, de tan solo 29,78 °C, pero su punto de ebullición alcanza los 2204,8 °C. En verano, se encuentra en su mayor parte en estado líquido y puede fundirse en la palma de la mano. Por estas propiedades, el galio puede corroer otros metales precisamente debido a su bajo punto de fusión. El galio líquido forma aleaciones con otros metales, lo que constituye el fenómeno mágico mencionado anteriormente. Su contenido en la corteza terrestre es de tan solo un 0,001 % y su existencia no se descubrió hasta hace 140 años. En 1871, el químico ruso Mendeléyev resumió la tabla periódica de los elementos y predijo que, después del zinc, existía un elemento similar al aluminio, denominado "elemento similar al aluminio". En 1875, cuando el científico francés Bowabordland estaba estudiando las leyes de las líneas espectrales de los elementos metálicos de la misma familia, encontró una extraña banda de luz en la esfalrita (ZnS), por lo que encontró este "elemento parecido al aluminio", y luego lo nombró en honor a su tierra natal, Francia (Galia, en latín Gallia), con el símbolo Ga para representar este elemento, por lo que el galio se convirtió en el primer elemento predicho en la historia del descubrimiento de elementos químicos, y luego encontró el elemento confirmado en experimentos.
El galio se distribuye principalmente en China, Alemania, Francia, Australia, Kazajistán y otros países del mundo, de los cuales las reservas de recursos de galio de China representan más del 95% del total mundial, distribuidas principalmente en Shanxi, Guizhou, Yunnan, Henan, Guangxi y otros lugares [1]. En términos de tipo de distribución, Shanxi, Shandong y otros lugares existen principalmente en bauxita, Yunnan y otros lugares en mineral de estaño, y Hunan y otros lugares existen principalmente en esfalrita. Al comienzo del descubrimiento del galio metálico, debido a la falta de investigación correspondiente sobre su aplicación, la gente siempre ha creído que es un metal con baja usabilidad. Sin embargo, con el continuo desarrollo de la tecnología de la información y la era de las nuevas energías y la alta tecnología, el galio metálico ha recibido atención como un material importante en el campo de la información, y su demanda también ha aumentado considerablemente.
2、 Campos de aplicación del galio metálico
1. Campo de semiconductores
El galio se utiliza principalmente en el campo de los materiales semiconductores, siendo el arseniuro de galio (GaAs) el material más utilizado y su tecnología la más madura. Como medio para la difusión de información, los materiales semiconductores representan entre el 80 % y el 85 % del consumo total de galio, utilizado principalmente en comunicaciones inalámbricas. Los amplificadores de potencia de arseniuro de galio pueden aumentar la velocidad de transmisión de las comunicaciones hasta 100 veces la de las redes 4G, lo que puede desempeñar un papel importante en la entrada a la era 5G. Además, el galio puede utilizarse como medio de disipación de calor en aplicaciones de semiconductores gracias a sus características térmicas, bajo punto de fusión, alta conductividad térmica y buen rendimiento de flujo. La aplicación de galio metálico en forma de aleación a base de galio en materiales de interfaz térmica puede mejorar la capacidad de disipación de calor y la eficiencia de los componentes electrónicos.
2. Células solares
El desarrollo de las células solares ha evolucionado desde las primeras células solares de silicio monocristalino hasta las células de película delgada de silicio policristalino. Debido al alto coste de estas células, los investigadores han descubierto células de película delgada de cobre, indio, galio y selenio (CIGS) en materiales semiconductores [3]. Las células CIGS ofrecen las ventajas de un bajo coste de producción, la producción en grandes lotes y una alta tasa de conversión fotoeléctrica, lo que les brinda amplias perspectivas de desarrollo. Además, las células solares de arseniuro de galio presentan ventajas significativas en eficiencia de conversión en comparación con las células de película delgada fabricadas con otros materiales. Sin embargo, debido al alto coste de producción de los materiales de arseniuro de galio, actualmente se utilizan principalmente en los sectores aeroespacial y militar.
3. Energía del hidrógeno
Ante la creciente conciencia mundial sobre la crisis energética, se busca reemplazar las fuentes de energía no renovables, entre las que destaca la energía del hidrógeno. Sin embargo, el alto coste y la baja seguridad del almacenamiento y transporte del hidrógeno dificultan el desarrollo de esta tecnología. Al ser el elemento metálico más abundante en la corteza terrestre, el aluminio puede reaccionar con el agua para producir hidrógeno en determinadas condiciones, lo que lo convierte en un material ideal para el almacenamiento de hidrógeno. Sin embargo, debido a la fácil oxidación de la superficie del aluminio metálico para formar una densa película de óxido de aluminio que inhibe la reacción, los investigadores han descubierto que el galio metálico de bajo punto de fusión puede formar una aleación con el aluminio, y el galio puede disolver la capa superficial de óxido de aluminio, permitiendo que la reacción se lleve a cabo [4], y el galio metálico puede reciclarse y reutilizarse. El uso de materiales de aleación de aluminio y galio resuelve en gran medida el problema de la preparación rápida y el almacenamiento y transporte seguros de la energía del hidrógeno, mejorando la seguridad, la economía y la protección del medio ambiente.
4. Campo médico
El galio se utiliza comúnmente en el campo médico debido a sus propiedades únicas de radiación, que permiten obtener imágenes e inhibir tumores malignos. Los compuestos de galio poseen evidentes propiedades antifúngicas y antibacterianas, y, en última instancia, logran la esterilización al interferir con el metabolismo bacteriano. Las aleaciones de galio se pueden utilizar para fabricar termómetros, como los de galio-indio-estaño, un nuevo tipo de aleación de metal líquido segura, no tóxica y respetuosa con el medio ambiente, que puede sustituir a los termómetros de mercurio tóxicos. Además, una cierta proporción de aleación a base de galio sustituye a la amalgama de plata tradicional y se utiliza en aplicaciones clínicas como un nuevo material de obturación dental.
3、 Perspectiva
Si bien China es uno de los principales productores de galio del mundo, su industria aún presenta numerosos problemas. Debido a su bajo contenido como mineral acompañante, las empresas productoras de galio están dispersas y existen eslabones débiles en la cadena industrial. El proceso minero genera una grave contaminación ambiental, y la capacidad de producción de galio de alta pureza es relativamente limitada, dependiendo principalmente de la exportación de galio grueso a bajo precio y la importación de galio refinado a alto precio. Sin embargo, con el desarrollo de la ciencia y la tecnología, la mejora de la calidad de vida de las personas y la aplicación generalizada del galio en los campos de la información y la energía, la demanda de galio también aumentará rápidamente. El atraso en la tecnología de producción de galio de alta pureza inevitablemente limitará el desarrollo industrial de China. El desarrollo de nuevas tecnologías es fundamental para lograr un desarrollo científico y tecnológico de alta calidad en China.
Hora de publicación: 17 de mayo de 2023