שליחות קטלנית מתכתית – גליום

ישנה מתכת שהיא מאוד קסומה. בחיי היומיום, היא מופיעה בצורה נוזלית כמו כספית. אם תטילו אותה על פחית, תופתעו לגלות שהבקבוק הופך שביר כמו נייר, והוא ישבר בדחיפה קלה. בנוסף, הנפלתה על מתכות כמו נחושת וברזל גורמת גם היא למצב הזה, שניתן לכנותו "מחסל המתכת". מה גורם לה למאפיינים כאלה? היום ניכנס לעולם של מתכת גליום.

1. איזה יסוד הואמתכת גליום

יסוד הגליום נמצא בקבוצה IIIA בתקופה הרביעית בטבלה המחזורית של היסודות. נקודת ההיתוך של גליום טהור נמוכה מאוד, רק 29.78 ℃, אך נקודת הרתיחה גבוהה עד 2204.8 ℃. בקיץ, רובו קיים כנוזל וניתן להמיס אותו כאשר הוא מונח בכף היד. מהתכונות הנ"ל, ניתן להבין שגליום יכול לאכל מתכות אחרות דווקא בגלל נקודת ההיתוך הנמוכה שלו. גליום נוזלי יוצר סגסוגות עם מתכות אחרות, וזוהי תופעה קסומה שהוזכרה קודם לכן. תכולתו בקרום כדור הארץ היא רק כ-0.001%, וקיומו התגלה רק לפני 140 שנה. בשנת 1871, הכימאי הרוסי מנדלייב סיכם את הטבלה המחזורית של היסודות וחזה כי לאחר אבץ, יש גם יסוד מתחת לאלומיניום, בעל תכונות דומות לאלומיניום והוא נקרא "יסוד דמוי אלומיניום". בשנת 1875, כאשר המדען הצרפתי בובבורדלנד חקר את חוקי הקו הספקטרלי של יסודות מתכתיים מאותה משפחה, הוא מצא פס בהיר מוזר בספלריט (ZnS), ולכן מצא את "יסוד דמוי האלומיניום" הזה, ולאחר מכן קרא לו על שם מולדתו צרפת (גאליה, בלטינית גאליה), כאשר הסמל Ga מייצג את היסוד הזה, כך שגליום הפך ליסוד הראשון שחזה בהיסטוריה של גילוי היסודות הכימיים, ולאחר מכן מצא את היסוד שאושר בניסויים.

גליום מופץ בעיקר בסין, גרמניה, צרפת, אוסטרליה, קזחסטן ומדינות אחרות בעולם, כאשר עתודות הגליום של סין מהוות יותר מ-95% מסך עתודות הגליום בעולם, המופצות בעיקר בשאנשי, גוויג'ואו, יונאן, הנאן, גואנגשי ומקומות אחרים [1]. מבחינת סוג התפוצה, שאנשי, שאנדונג ומקומות אחרים קיימות בעיקר בבוקסיט, יונאן ומקומות אחרים בעפרות בדיל, וחונאן ומקומות אחרים קיימות בעיקר בספלריט. בתחילת גילוי מתכת הגליום, עקב היעדר מחקר מקביל על יישומיה, אנשים תמיד האמינו שמדובר במתכת בעלת שימושיות נמוכה. עם זאת, עם ההתפתחות המתמשכת של טכנולוגיית המידע ועידן האנרגיה החדשה וההייטק, מתכת הגליום זכתה לתשומת לב כחומר חשוב בתחום המידע, וגם הביקוש לה גדל מאוד.

2. תחומי יישום של גליום מתכתי

1. שדה מוליכים למחצה

גליום משמש בעיקר בתחום חומרי מוליכים למחצה, כאשר החומר גליום ארסניד (GaAs) הוא הנפוץ ביותר והטכנולוגיה היא הבוגרת ביותר. כנשא להפצת מידע, חומרי מוליכים למחצה מהווים 80% עד 85% מסך צריכת הגליום, המשמש בעיקר בתקשורת אלחוטית. מגברי הספק גליום ארסניד יכולים להגדיל את מהירות העברת התקשורת פי 100 מזו של רשתות 4G, דבר שיכול למלא תפקיד חשוב בכניסה לעידן 5G. יתר על כן, גליום יכול לשמש כמדיום לפיזור חום ביישומי מוליכים למחצה בשל תכונותיו התרמיות, נקודת ההיתוך הנמוכה, המוליכות התרמית הגבוהה וביצועי הזרימה הטובים. יישום מתכת גליום בצורת סגסוגת מבוססת גליום בחומרי ממשק תרמי יכול לשפר את יכולת פיזור החום והיעילות של רכיבים אלקטרוניים.

2. תאים סולאריים

פיתוח תאים סולאריים עבר מתאי שמש סיליקון חד-גבישיים מוקדמים לתאי סרט דק סיליקון פולי-גבישי. בשל העלות הגבוהה של תאי סרט דק סיליקון פולי-גבישי, חוקרים גילו תאי סרט דק נחושת-אינדיום גליום-סלניום (CIGS) בחומרים מוליכים למחצה [3]. לתאי CIGS יתרונות של עלויות ייצור נמוכות, ייצור בכמויות גדולות וקצב המרה פוטואלקטרי גבוה, ולכן יש להם סיכויי פיתוח רחבים. שנית, לתאי שמש גליום ארסניד יתרונות משמעותיים ביעילות ההמרה בהשוואה לתאי סרט דק העשויים מחומרים אחרים. עם זאת, בשל עלות הייצור הגבוהה של חומרי גליום ארסניד, הם משמשים כיום בעיקר בתחומי התעופה והחלל והצבא.

3. אנרגיית מימן

עם המודעות הגוברת למשבר האנרגיה בכל רחבי העולם, אנשים מבקשים להחליף מקורות אנרגיה שאינם מתחדשים, שביניהם בולטת אנרגיית מימן. עם זאת, העלות הגבוהה והבטיחות הנמוכה של אחסון והובלת מימן מעכבים את פיתוח טכנולוגיה זו. בתור היסוד המתכתי הנפוץ ביותר בקרום, אלומיניום יכול להגיב עם מים כדי לייצר מימן בתנאים מסוימים, שהוא חומר אידיאלי לאחסון מימן. עם זאת, בשל החמצון הקל של פני השטח של מתכת האלומיניום ליצירת שכבת תחמוצת אלומיניום צפופה, אשר מעכבת את התגובה, חוקרים מצאו שגליום מתכתי בעל נקודת התכה נמוכה יכול ליצור סגסוגת עם אלומיניום, וגליום יכול להמיס את ציפוי תחמוצת האלומיניום על פני השטח, מה שמאפשר לתגובה להתקדם [4], וניתן למחזר את המתכת גליום ולעשות בה שימוש חוזר. השימוש בחומרי סגסוגת אלומיניום גליום פותר במידה רבה את בעיית ההכנה המהירה והאחסון וההובלה הבטוחים של אנרגיית מימן, ומשפר את הבטיחות, הכלכלה והגנת הסביבה.

4. תחום רפואי

גליום נמצא בשימוש נפוץ בתחום הרפואי בשל תכונות הקרינה הייחודיות שלו, וניתן להשתמש בו להדמיה ולעיכוב גידולים ממאירים. לתרכובות גליום יש פעילות אנטי-פטרייתית ואנטיבקטריאלית ברורה, ובסופו של דבר משיגות עיקור על ידי הפרעה לחילוף החומרים של חיידקים. וסגסוגות גליום יכולות לשמש לייצור מדחומים, כגון מדחומי גליום-אינדיום בדיל, סוג חדש של סגסוגת מתכת נוזלית שהיא בטוחה, לא רעילה וידידותית לסביבה, וניתן להשתמש בה כדי להחליף מדחומי כספית רעילים. בנוסף, חלק מסוים של סגסוגת מבוססת גליום מחליף את האמלגם הכסוף המסורתי ומשמש ביישומים קליניים כחומר סתימה חדש לשיניים.

3. תחזית

למרות שסין היא אחת מיצרניות הגליום העיקריות בעולם, עדיין ישנן בעיות רבות בתעשיית הגליום של סין. בשל תכולת הגליום הנמוכה כמינרל נלווה, מפעלי ייצור הגליום מפוזרים, וישנן חוליות חלשות בשרשרת התעשייתית. תהליך הכרייה גורם לזיהום סביבתי חמור, ויכולת הייצור של גליום בעל טוהר גבוה חלשה יחסית, והיא מסתמכת בעיקר על ייצוא גליום גס במחירים נמוכים וייבוא ​​גליום מזוקק במחירים גבוהים. עם זאת, עם התפתחות המדע והטכנולוגיה, שיפור רמת החיים של האנשים והיישום הנרחב של גליום בתחומי המידע והאנרגיה, גם הביקוש לגליום יגדל במהירות. טכנולוגיית הייצור המפגרת יחסית של גליום בעל טוהר גבוה תטיל בהכרח אילוצים על הפיתוח התעשייתי של סין. פיתוח טכנולוגיות חדשות הוא בעל חשיבות רבה להשגת פיתוח איכותי של מדע וטכנולוגיה בסין.