קטלנית מתכת - גליום

יש סוג של מתכת שהוא מאוד קסום. בחיי היומיום, הוא מופיע בצורה נוזלית כמו כספית. אם תפילו אותו על קופסת שימורים, תופתעו לגלות שהבקבוק הופך שביר כמו נייר, והוא יישבר עם דחיפה בלבד. בנוסף, הפלה שלו על מתכות כמו נחושת וברזל גורמת גם היא למצב הזה, שניתן לכנותו "המחסל המתכת". מה גורם לו להיות בעל מאפיינים כאלה? היום ניכנס לעולם גליום המתכת.

1, מהו האלמנטמתכת גליום

יסוד גליום נמצא בקבוצת התקופה הרביעית IIIA בטבלה המחזורית של היסודות. נקודת ההיתוך של גליום טהור נמוכה מאוד, רק 29.78 ℃, אך נקודת הרתיחה היא עד 2204.8 ℃. בקיץ רובו קיים כנוזל וניתן להמיס אותו כשמניחים אותו בכף היד. מהמאפיינים לעיל, אנו יכולים להבין שגליום יכול לשתות מתכות אחרות בדיוק בגלל נקודת ההיתוך הנמוכה שלו. גליום נוזלי יוצר סגסוגות עם מתכות אחרות, שזו התופעה הקסומה שהוזכרה קודם לכן. תכולתו בקרום כדור הארץ היא רק כ-0.001%, וקיומו לא התגלה עד לפני 140 שנה. בשנת 1871, הכימאי הרוסי מנדלייב סיכם את הטבלה המחזורית של היסודות וחזה שאחרי האבץ, ישנו גם יסוד מתחת לאלומיניום, בעל תכונות דומות לאלומיניום והוא נקרא "יסוד דמוי אלומיניום". בשנת 1875, כאשר המדען הצרפתי בוובורדלנד חקר את חוקי הקו הספקטרלי של יסודות מתכת מאותה משפחה, הוא מצא רצועת אור מוזרה בספלריט (ZnS), אז הוא מצא את "האלמנט דמוי האלומיניום", ואז קרא לו על שם מולדתו. צרפת (גאליה, גליה לטינית), עם הסמל Ga המייצג את היסוד הזה, כך שגליום הפך ליסוד הראשון שנחזה בהיסטוריה של גילוי יסודות כימיים, ואז מצא את היסוד המאושר בניסויים.

הגאליום מופץ בעיקר בסין, גרמניה, צרפת, אוסטרליה, קזחסטן ומדינות נוספות בעולם, אשר עתודות משאבי הגליום של סין מהוות יותר מ-95% מכלל העולם, המופצות בעיקר בשאנקי, גויז'ו, יונאן, הנאן, גואנגשי. ועוד מקומות [1]. מבחינת סוג התפוצה, שנשי, שאנדונג ומקומות אחרים קיימים בעיקר בבוקסיט, יונאן ומקומות אחרים בעפרות פח, והונאן ומקומות אחרים קיימים בעיקר בספלריט. בתחילת הגילוי של מתכת גליום, בשל היעדר מחקר מקביל על היישום שלה, אנשים תמיד האמינו שמדובר במתכת עם שימושיות נמוכה. אולם עם ההתפתחות המתמשכת של טכנולוגיית המידע ועידן האנרגיה וההייטק החדשים, זכתה מתכת הגליום לתשומת לב כחומר חשוב בתחום המידע, וגם הביקוש אליה גדל מאוד.

2、 שדות יישום של מתכת גליום

1. שדה מוליכים למחצה

גליום משמש בעיקר בתחום החומרים המוליכים למחצה, כאשר חומר גליום ארסניד (GaAs) הוא הנפוץ ביותר והטכנולוגיה היא הבוגרת ביותר. כספק של הפצת מידע, חומרים מוליכים למחצה מהווים 80% עד 85% מכלל הצריכה של גליום, המשמש בעיקר בתקשורת אלחוטית. מגברי הספק של גליום ארסניד יכולים להגביר את מהירות שידור התקשורת פי 100 מזו של רשתות דור 4, מה שיכול לשחק תפקיד חשוב בכניסה לעידן ה-5G. יתר על כן, גליום יכול לשמש כמדיום לפיזור חום ביישומי מוליכים למחצה בשל המאפיינים התרמיים שלו, נקודת התכה נמוכה, מוליכות תרמית גבוהה וביצועי זרימה טובים. יישום מתכת גליום בצורה של סגסוגת מבוססת גליום בחומרי ממשק תרמי יכול לשפר את יכולת פיזור החום והיעילות של רכיבים אלקטרוניים.

2. תאים סולאריים

הפיתוח של תאים סולאריים הפך מתאי סולרי סיליקון חד-גבישיים מוקדמים לתאי סרט דק סיליקון רב-גבישי. בשל העלות הגבוהה של תאי סרט דק סיליקון פולי-גבישי, חוקרים גילו תאי נחושת אינדיום גליום סלניום (CIGS) בחומרים מוליכים למחצה [3]. לתאי CIGS יש את היתרונות של עלויות ייצור נמוכות, ייצור אצווה גדול ושיעור המרה פוטו-אלקטרי גבוה, ובכך יש סיכויי פיתוח רחבים. שנית, לתאים סולריים גליום ארסניד יש 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.

3. אנרגיית מימן

עם המודעות הגוברת למשבר האנרגיה בכל רחבי העולם, אנשים מבקשים להחליף מקורות אנרגיה לא מתחדשים, שבהם בולטת אנרגיית המימן. עם זאת, העלות הגבוהה והבטיחות הנמוכה של אחסון ושינוע מימן מעכבות את התפתחותה של טכנולוגיה זו. כאלמנט המתכת 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 אלומיניום מתכת ליצירת סרט תחמוצת אלומיניום צפוף , אשר מעכב את התגובה, חוקרים מצאו שגליום מתכת נמוך מתכת יכול ליצור סגסוגת עם אלומיניום, וגליום יכול להמיס את ציפוי תחמוצת האלומיניום על פני השטח, מה שמאפשר תגובה להמשך [4], וניתן למחזר את המתכת גליום ולעשות שימוש חוזר. השימוש בחומרי סגסוגת אלומיניום גליום פותר במידה רבה את בעיית ההכנה המהירה ואחסון ושינוע בטוחים של אנרגיית מימן, משפר את הבטיחות, הכלכלה והגנת הסביבה.

4. תחום רפואי

גליום נפוץ בשימוש בתחום הרפואי בשל תכונות הקרינה הייחודיות שלו, היכולות לשמש להדמיה ועיכוב גידולים ממאירים. לתרכובות גליום יש פעילות אנטי-פטרייתית ואנטי-בקטריאלית ברורה, ובסופו של דבר משיגות עיקור על-ידי הפרעה לחילוף החומרים של החיידקים. וסגסוגות גליום יכולות לשמש לייצור מדי חום, כגון מדחום גליום אינדיום בדיל, סוג חדש של סגסוגת מתכת נוזלית בטוחה, לא רעילה וידידותית לסביבה, וניתן להשתמש בה כדי להחליף מדי חום כספית רעילים. בנוסף, חלק מסוים של סגסוגת מבוססת גליום מחליף את האמלגם המסורתי של כסף ומשמש ביישומים קליניים כחומר מילוי שיניים חדש.

3、 Outlook

למרות שסין היא אחת מיצרניות הגליום העיקריות בעולם, עדיין קיימות בעיות רבות בתעשיית הגליום בסין. בשל התכולה הנמוכה של גליום כמינרל נלווה, מפעלי ייצור גליום מפוזרים, ויש חוליות חלשות בשרשרת התעשייתית. בתהליך הכרייה יש זיהום סביבתי חמור, וכושר הייצור של גליום בטוהר גבוה חלש יחסית, ונשען בעיקר על ייצוא גליום גס במחירים נמוכים ויבוא גליום מזוקק במחירים גבוהים. אולם, עם התפתחות המדע והטכנולוגיה, שיפור רמת החיים של אנשים, והיישום הנרחב של גליום בתחומי המידע והאנרגיה, גם הביקוש לגליום יגדל במהירות. לטכנולוגיית הייצור הנחשלת יחסית של גליום בטוהר גבוה יהיו בהכרח מגבלות על הפיתוח התעשייתי של סין. לפיתוח טכנולוגיות חדשות יש משמעות רבה להשגת פיתוח איכותי של מדע וטכנולוגיה בסין.