เทอร์มิเนเตอร์โลหะ – แกลเลียม

มีโลหะชนิดหนึ่งที่มีมนต์ขลังมาก ในชีวิตประจำวันจะปรากฏเป็นของเหลวคล้ายปรอท หากคุณทิ้งมันลงบนกระป๋อง คุณจะต้องแปลกใจที่พบว่าขวดนั้นบอบบางเหมือนกระดาษ และมันจะแตกได้เพียงแค่สะกิด นอกจากนี้ การตกลงบนโลหะ เช่น ทองแดง และเหล็ก ยังทำให้เกิดสถานการณ์เช่นนี้ ซึ่งอาจเรียกได้ว่าเป็น "เทอร์มิเนเตอร์โลหะ" อะไรทำให้มันมีลักษณะเช่นนี้? วันนี้เราจะเข้าสู่โลกของโลหะแกลเลียม

1. องค์ประกอบคืออะไรโลหะแกลเลียม

ธาตุแกลเลียมอยู่ในหมู่ IIIA ระยะที่ 4 ในตารางธาตุ จุดหลอมเหลวของแกลเลียมบริสุทธิ์ต่ำมาก เพียง 29.78 ℃ แต่จุดเดือดสูงถึง 2204.8 ℃ ในฤดูร้อน ส่วนใหญ่จะมีลักษณะเป็นของเหลวและสามารถละลายได้เมื่อวางไว้บนฝ่ามือ จากคุณสมบัติข้างต้น เราสามารถเข้าใจได้ว่าแกลเลียมสามารถกัดกร่อนโลหะอื่นได้อย่างแม่นยำเนื่องจากมีจุดหลอมเหลวต่ำ แกลเลียมเหลวก่อให้เกิดโลหะผสมกับโลหะอื่นๆ ซึ่งเป็นปรากฏการณ์มหัศจรรย์ที่กล่าวถึงข้างต้น เนื้อหาในเปลือกโลกมีเพียงประมาณ 0.001% เท่านั้น และการดำรงอยู่ของมันไม่ถูกค้นพบจนกระทั่ง 140 ปีที่แล้ว ในปี พ.ศ. 2414 Mendeleev นักเคมีชาวรัสเซียได้สรุปตารางธาตุและคาดการณ์ว่าหลังจากสังกะสีแล้ว ยังมีธาตุที่อยู่ต่ำกว่าอะลูมิเนียมด้วย ซึ่งมีคุณสมบัติคล้ายกับอะลูมิเนียมและเรียกว่า "ธาตุคล้ายอะลูมิเนียม" ในปี 1875 เมื่อ Bowabordland นักวิทยาศาสตร์ชาวฝรั่งเศสกำลังศึกษากฎเส้นสเปกตรัมขององค์ประกอบโลหะในตระกูลเดียวกัน เขาพบแถบแสงแปลก ๆ ในสฟาเลอไรต์ (ZnS) ดังนั้นเขาจึงพบ "องค์ประกอบคล้ายอะลูมิเนียม" นี้ และตั้งชื่อตามบ้านเกิดเมืองนอนของเขา ประเทศฝรั่งเศส (กอล ละติน กัลเลีย) โดยมีสัญลักษณ์ Ga เป็นตัวแทนของธาตุนี้ แกลเลียมจึงกลายเป็นธาตุแรกที่ทำนายไว้ในประวัติศาสตร์การค้นพบธาตุเคมี จากนั้นก็พบธาตุที่ได้รับการยืนยันในการทดลอง

แกลเลียมส่วนใหญ่จำหน่ายในจีน เยอรมนี ฝรั่งเศส ออสเตรเลีย คาซัคสถาน และประเทศอื่นๆ ในโลก ซึ่งทรัพยากรแกลเลียมของจีนมีสัดส่วนมากกว่า 95% ของทั้งหมดทั่วโลก โดยส่วนใหญ่จำหน่ายในซานซี กุ้ยโจว ยูนนาน เหอหนาน กว่างซี และสถานที่อื่นๆ [1] ในแง่ของประเภทการกระจาย ซานซี ซานตง และสถานที่อื่น ๆ ส่วนใหญ่มีอยู่ในแร่บอกไซต์ ยูนนาน และสถานที่อื่น ๆ ในแร่ดีบุก และหูหนานและสถานที่อื่น ๆ ส่วนใหญ่มีอยู่ในสฟาเลอไรต์ ในช่วงเริ่มต้นของการค้นพบโลหะแกลเลียม เนื่องจากขาดการวิจัยที่เกี่ยวข้องในการใช้งาน ผู้คนจึงเชื่อมาโดยตลอดว่าเป็นโลหะที่มีการใช้งานต่ำ อย่างไรก็ตาม ด้วยการพัฒนาอย่างต่อเนื่องของเทคโนโลยีสารสนเทศและยุคของพลังงานใหม่และเทคโนโลยีขั้นสูง แกลเลียมโลหะจึงได้รับความสนใจในฐานะวัสดุสำคัญในด้านข้อมูล และความต้องการก็เพิ่มขึ้นอย่างมากเช่นกัน

2、 สาขาการใช้งานของแกลเลียมโลหะ

1. สาขาเซมิคอนดักเตอร์

แกลเลียมส่วนใหญ่จะใช้ในด้านวัสดุเซมิคอนดักเตอร์ โดยวัสดุแกลเลียมอาร์เซไนด์ (GaAs) เป็นวัสดุที่ใช้กันอย่างแพร่หลายมากที่สุดและเทคโนโลยีมีความเป็นผู้ใหญ่มากที่สุด ในฐานะผู้ให้บริการเผยแพร่ข้อมูล วัสดุเซมิคอนดักเตอร์คิดเป็น 80% ถึง 85% ของการใช้แกลเลียมทั้งหมด ซึ่งส่วนใหญ่ใช้ในการสื่อสารไร้สาย เครื่องขยายกำลังแกลเลียมอาร์เซไนด์สามารถเพิ่มความเร็วในการรับส่งข้อมูลการสื่อสารได้สูงถึง 100 เท่าของเครือข่าย 4G ซึ่งสามารถมีบทบาทสำคัญในการเข้าสู่ยุค 5G นอกจากนี้ แกลเลียมยังสามารถใช้เป็นสื่อกระจายความร้อนในการใช้งานเซมิคอนดักเตอร์ได้ เนื่องจากมีลักษณะทางความร้อน มีจุดหลอมเหลวต่ำ มีการนำความร้อนสูง และประสิทธิภาพการไหลที่ดี การใช้โลหะแกลเลียมในรูปแบบของโลหะผสมที่มีแกลเลียมในวัสดุเชื่อมต่อในการระบายความร้อนสามารถปรับปรุงความสามารถในการกระจายความร้อนและประสิทธิภาพของชิ้นส่วนอิเล็กทรอนิกส์ได้

2. เซลล์แสงอาทิตย์

การพัฒนาเซลล์แสงอาทิตย์ได้เปลี่ยนจากเซลล์แสงอาทิตย์ชนิดโมโนคริสตัลไลน์ซิลิคอนในยุคแรกๆ มาเป็นเซลล์ฟิล์มบางชนิดโพลีคริสตัลไลน์ซิลิคอน เนื่องจากเซลล์ฟิล์มบางโพลีคริสตัลไลน์ซิลิคอนมีราคาสูง นักวิจัยจึงได้ค้นพบเซลล์ฟิล์มบางของคอปเปอร์ อินเดียม แกลเลียม ซีลีเนียม (CIGS) ในวัสดุเซมิคอนดักเตอร์ [3] เซลล์ CIGS มีข้อดีคือต้นทุนการผลิตต่ำ การผลิตเป็นชุดจำนวนมาก และมีอัตราการแปลงโฟโตอิเล็กทริกสูง จึงมีแนวโน้มการพัฒนาในวงกว้าง ประการที่สอง เซลล์แสงอาทิตย์แกลเลียมอาร์เซไนด์มีข้อได้เปรียบที่สำคัญในด้านประสิทธิภาพการแปลงเมื่อเปรียบเทียบกับเซลล์ฟิล์มบางที่ทำจากวัสดุอื่น อย่างไรก็ตาม เนื่องจากต้นทุนการผลิตวัสดุแกลเลียมอาร์เซไนด์สูง ปัจจุบันจึงถูกนำมาใช้เป็นหลักในด้านการบินและอวกาศและการทหาร

3. พลังงานไฮโดรเจน

ด้วยความตระหนักรู้ที่เพิ่มขึ้นเกี่ยวกับวิกฤตพลังงานทั่วโลก ผู้คนจึงพยายามหาแหล่งพลังงานทดแทนที่ไม่หมุนเวียน ซึ่งมีพลังงานไฮโดรเจนที่โดดเด่น อย่างไรก็ตาม การจัดเก็บและขนส่งไฮโดรเจนที่มีต้นทุนสูงและความปลอดภัยต่ำเป็นอุปสรรคต่อการพัฒนาเทคโนโลยีนี้ เนื่องจากองค์ประกอบโลหะที่มีมากที่สุดในเปลือกโลก อลูมิเนียมสามารถทำปฏิกิริยากับน้ำเพื่อผลิตไฮโดรเจนภายใต้เงื่อนไขบางประการ ซึ่งเป็นวัสดุกักเก็บไฮโดรเจนในอุดมคติ อย่างไรก็ตาม เนื่องจากการออกซิเดชันได้ง่ายของพื้นผิวโลหะอลูมิเนียมจนเกิดเป็นฟิล์มอลูมิเนียมออกไซด์ที่มีความหนาแน่นสูง ซึ่งยับยั้งการเกิดปฏิกิริยา นักวิจัยพบว่าแกลเลียมโลหะที่มีจุดหลอมเหลวต่ำสามารถสร้างโลหะผสมกับอะลูมิเนียมได้ และแกลเลียมสามารถละลายชั้นเคลือบอะลูมิเนียมออกไซด์ที่พื้นผิวได้ ทำให้เกิดปฏิกิริยาต่อไปได้ [4] และแกลเลียมโลหะสามารถรีไซเคิลและนำกลับมาใช้ใหม่ได้ . การใช้วัสดุโลหะผสมอะลูมิเนียมแกลเลียมช่วยแก้ปัญหาการเตรียมอย่างรวดเร็ว การจัดเก็บและการขนส่งพลังงานไฮโดรเจนอย่างปลอดภัย ปรับปรุงความปลอดภัย เศรษฐกิจ และรักษาสิ่งแวดล้อม

4. สาขาการแพทย์

แกลเลียมมักใช้ในวงการแพทย์เนื่องจากมีคุณสมบัติในการฉายรังสีที่เป็นเอกลักษณ์ ซึ่งสามารถนำไปใช้ในการถ่ายภาพและยับยั้งเนื้องอกเนื้อร้ายได้ สารประกอบแกลเลียมมีฤทธิ์ต้านเชื้อราและแบคทีเรียอย่างเห็นได้ชัด และในที่สุดก็สามารถฆ่าเชื้อได้โดยการรบกวนกระบวนการเมแทบอลิซึมของแบคทีเรีย และโลหะผสมแกลเลียมสามารถนำมาใช้ทำเทอร์โมมิเตอร์ได้ เช่น เทอร์โมมิเตอร์แกลเลียมอินเดียมดีบุก ซึ่งเป็นโลหะผสมเหลวชนิดใหม่ที่ปลอดภัย ปลอดสารพิษ และเป็นมิตรกับสิ่งแวดล้อมและสามารถนำมาใช้ทดแทนเทอร์โมมิเตอร์ปรอทที่เป็นพิษได้ นอกจากนี้ สัดส่วนหนึ่งของโลหะผสมที่ใช้แกลเลียมจะเข้ามาแทนที่ซิลเวอร์อะมัลกัมแบบดั้งเดิม และใช้ในการใช้งานทางคลินิกเป็นวัสดุอุดฟันชนิดใหม่

3、 แนวโน้ม

แม้ว่าจีนจะเป็นหนึ่งในผู้ผลิตแกลเลียมหลักของโลก แต่ก็ยังมีปัญหามากมายในอุตสาหกรรมแกลเลียมของจีน เนื่องจากแกลเลียมมีปริมาณต่ำในฐานะแร่ธาตุร่วม องค์กรการผลิตแกลเลียมจึงกระจัดกระจาย และห่วงโซ่อุตสาหกรรมยังมีจุดอ่อน กระบวนการขุดมีมลภาวะต่อสิ่งแวดล้อมอย่างรุนแรง และกำลังการผลิตแกลเลียมที่มีความบริสุทธิ์สูงค่อนข้างอ่อนแอ โดยส่วนใหญ่ต้องอาศัยการส่งออกแกลเลียมหยาบในราคาที่ต่ำ และการนำเข้าแกลเลียมกลั่นในราคาที่สูง อย่างไรก็ตาม ด้วยการพัฒนาวิทยาศาสตร์และเทคโนโลยี การปรับปรุงมาตรฐานการครองชีพของผู้คน และการใช้แกลเลียมอย่างกว้างขวางในด้านข้อมูลและพลังงาน ความต้องการแกลเลียมก็จะเพิ่มขึ้นอย่างรวดเร็วเช่นกัน เทคโนโลยีการผลิตแกลเลียมที่มีความบริสุทธิ์สูงค่อนข้างล้าหลังจะมีข้อจำกัดในการพัฒนาอุตสาหกรรมของจีนอย่างหลีกเลี่ยงไม่ได้ การพัฒนาเทคโนโลยีใหม่มีความสำคัญอย่างยิ่งต่อการบรรลุการพัฒนาวิทยาศาสตร์และเทคโนโลยีคุณภาพสูงในประเทศจีน