เทอร์มิเนเตอร์โลหะ – แกลเลียม

มีโลหะชนิดหนึ่งที่มีความมหัศจรรย์มาก ในชีวิตประจำวันโลหะชนิดนี้จะอยู่ในสถานะของเหลว เช่น ปรอท หากคุณทำตกใส่กระป๋อง คุณจะต้องประหลาดใจเมื่อพบว่าขวดนั้นเปราะบางเหมือนกระดาษ และแตกได้เพียงแค่จิ้ม นอกจากนี้ หากทำตกใส่โลหะ เช่น ทองแดงและเหล็ก ก็ทำให้เกิดปรากฏการณ์นี้ขึ้นได้เช่นกัน ซึ่งเรียกกันว่า “โลหะที่ทำลายโลหะ” อะไรทำให้โลหะชนิดนี้มีลักษณะดังกล่าว วันนี้เราจะมาทำความรู้จักกับโลกของโลหะแกลเลียมกัน

1、ธาตุอะไรโลหะแกลเลียม

ธาตุแกลเลียมอยู่ในกลุ่ม IIIA คาบที่สี่ในตารางธาตุ จุดหลอมเหลวของแกลเลียมบริสุทธิ์นั้นต่ำมาก เพียง 29.78 ℃ แต่จุดเดือดสูงถึง 2204.8 ℃ ในฤดูร้อน ส่วนใหญ่จะอยู่ในรูปของเหลวและสามารถหลอมละลายได้เมื่อวางไว้ในฝ่ามือ จากคุณสมบัติข้างต้น เราสามารถเข้าใจได้ว่าแกลเลียมสามารถกัดกร่อนโลหะอื่นได้อย่างแม่นยำเนื่องจากมีจุดหลอมเหลวต่ำ แกลเลียมเหลวก่อตัวเป็นโลหะผสมกับโลหะอื่น ซึ่งเป็นปรากฏการณ์มหัศจรรย์ที่กล่าวถึงก่อนหน้านี้ เนื้อหาของแกลเลียมในเปลือกโลกมีเพียงประมาณ 0.001% และมีการค้นพบการมีอยู่ของมันเมื่อ 140 ปีที่แล้ว ในปี 1871 นักเคมีชาวรัสเซีย Mendeleev ได้สรุปตารางธาตุและทำนายว่าหลังจากสังกะสีแล้วยังมีธาตุอื่น ๆ ที่อยู่ต่ำกว่าอะลูมิเนียมซึ่งมีคุณสมบัติคล้ายกับอะลูมิเนียมและเรียกว่า "ธาตุคล้ายอะลูมิเนียม" ในปี พ.ศ. 2418 เมื่อนักวิทยาศาสตร์ชาวฝรั่งเศส Bowabordland กำลังศึกษาเกี่ยวกับกฎของเส้นสเปกตรัมของธาตุโลหะในตระกูลเดียวกัน เขาพบแถบแสงแปลกๆ ในสฟาเรอไรต์ (ZnS) จึงพบ "ธาตุที่คล้ายอะลูมิเนียม" นี้ และตั้งชื่อตามประเทศแม่ของเขา คือ ฝรั่งเศส (กอล ละติน Gallia) โดยมีสัญลักษณ์ Ga แทนธาตุนี้ ดังนั้น แกลเลียมจึงกลายเป็นธาตุแรกที่ได้รับการคาดการณ์ไว้ในประวัติศาสตร์การค้นพบธาตุทางเคมี และต่อมาก็พบธาตุที่ได้รับการยืนยันในการทดลอง

แกลเลียมมีการกระจายส่วนใหญ่ในจีน เยอรมนี ฝรั่งเศส ออสเตรเลีย คาซัคสถาน และประเทศอื่นๆ ทั่วโลก ซึ่งแหล่งสำรองแกลเลียมของจีนคิดเป็นมากกว่า 95% ของทั้งหมดของโลก โดยส่วนใหญ่กระจายอยู่ในซานซี กุ้ยโจว ยูนนาน เหอหนาน กวางสี และที่อื่นๆ [1] ในแง่ของประเภทการกระจาย ชานซี ซานตง และที่อื่นๆ ส่วนใหญ่จะอยู่ในบ็อกไซต์ ยูนนาน และที่อื่นๆ ส่วนใหญ่จะอยู่ในแร่ดีบุก และหูหนาน และที่อื่นๆ ส่วนใหญ่จะอยู่ในสฟาเรอไรต์ ในช่วงเริ่มต้นของการค้นพบโลหะแกลเลียม เนื่องจากขาดการวิจัยที่เกี่ยวข้องเกี่ยวกับการใช้งาน ผู้คนจึงเชื่อเสมอมาว่าเป็นโลหะที่มีการใช้งานต่ำ อย่างไรก็ตาม ด้วยการพัฒนาอย่างต่อเนื่องของเทคโนโลยีสารสนเทศและยุคของพลังงานใหม่และเทคโนโลยีขั้นสูง โลหะแกลเลียมได้รับความสนใจในฐานะวัสดุสำคัญในสาขาข้อมูล และความต้องการก็เพิ่มขึ้นอย่างมากเช่นกัน

2、ขอบเขตการใช้งานของโลหะแกลเลียม

1. สาขาสารกึ่งตัวนำ

แกลเลียมส่วนใหญ่ใช้ในด้านวัสดุเซมิคอนดักเตอร์ โดยแกลเลียมอาร์เซไนด์ (GaAs) เป็นวัสดุที่ใช้กันอย่างแพร่หลายที่สุดและเป็นเทคโนโลยีที่พัฒนาแล้วมากที่สุด วัสดุเซมิคอนดักเตอร์คิดเป็น 80% ถึง 85% ของการบริโภคแกลเลียมทั้งหมด ซึ่งส่วนใหญ่ใช้ในการสื่อสารไร้สาย แอมพลิฟายเออร์กำลังแกลเลียมอาร์เซไนด์สามารถเพิ่มความเร็วในการส่งข้อมูลการสื่อสารได้ 100 เท่าของเครือข่าย 4G ซึ่งสามารถมีบทบาทสำคัญในการเข้าสู่ยุค 5G นอกจากนี้ แกลเลียมยังสามารถใช้เป็นตัวกลางกระจายความร้อนในแอปพลิเคชันเซมิคอนดักเตอร์ได้เนื่องจากคุณสมบัติทางความร้อน จุดหลอมเหลวต่ำ การนำความร้อนสูง และประสิทธิภาพการไหลที่ดี การใช้โลหะแกลเลียมในรูปแบบของโลหะผสมที่เป็นฐานแกลเลียมในวัสดุอินเทอร์เฟซทางความร้อนสามารถปรับปรุงความสามารถในการกระจายความร้อนและประสิทธิภาพของส่วนประกอบอิเล็กทรอนิกส์ได้

2.เซลล์แสงอาทิตย์

การพัฒนาเซลล์แสงอาทิตย์ได้เปลี่ยนจากเซลล์แสงอาทิตย์ซิลิคอนโมโนคริสตัลไลน์ในยุคแรกเป็นเซลล์ฟิล์มบางซิลิคอนโพลีคริสตัลไลน์ เนื่องจากเซลล์ฟิล์มบางซิลิคอนโพลีคริสตัลไลน์มีต้นทุนสูง นักวิจัยจึงค้นพบเซลล์ฟิล์มบางคอปเปอร์อินเดียมแกลเลียมเซเลเนียม (CIGS) ในวัสดุเซมิคอนดักเตอร์ [3] เซลล์ CIGS มีข้อได้เปรียบคือต้นทุนการผลิตต่ำ ผลิตเป็นชุดใหญ่ และมีอัตราการแปลงไฟฟ้าเป็นแสงสูง จึงมีแนวโน้มการพัฒนาที่กว้างขวาง ประการที่สอง เซลล์แสงอาทิตย์แกลเลียมอาร์เซไนด์มีข้อได้เปรียบที่สำคัญในด้านประสิทธิภาพการแปลงเมื่อเปรียบเทียบกับเซลล์ฟิล์มบางที่ทำจากวัสดุอื่น อย่างไรก็ตาม เนื่องจากต้นทุนการผลิตวัสดุแกลเลียมอาร์เซไนด์สูง จึงใช้ในปัจจุบันเป็นหลักในอุตสาหกรรมการบินและอวกาศและการทหาร

3. พลังงานไฮโดรเจน

ด้วยความตระหนักรู้ที่เพิ่มขึ้นเกี่ยวกับวิกฤตพลังงานทั่วโลก ผู้คนจึงพยายามหาทางทดแทนแหล่งพลังงานที่ไม่สามารถหมุนเวียนได้ ซึ่งพลังงานไฮโดรเจนเป็นพลังงานที่โดดเด่น อย่างไรก็ตาม ต้นทุนที่สูงและความปลอดภัยที่ต่ำของการเก็บและขนส่งไฮโดรเจนเป็นอุปสรรคต่อการพัฒนาเทคโนโลยีนี้ เนื่องจากเป็นธาตุโลหะที่พบมากที่สุดในเปลือกโลก อะลูมิเนียมจึงสามารถทำปฏิกิริยากับน้ำเพื่อผลิตไฮโดรเจนภายใต้เงื่อนไขบางประการ ซึ่งเป็นวัสดุเก็บไฮโดรเจนในอุดมคติ อย่างไรก็ตาม เนื่องจากพื้นผิวของโลหะอะลูมิเนียมเกิดการออกซิเดชันได้ง่ายจนเกิดฟิล์มอะลูมิเนียมออกไซด์หนาแน่น ซึ่งยับยั้งปฏิกิริยา นักวิจัยจึงพบว่าแกลเลียมโลหะที่มีจุดหลอมเหลวต่ำสามารถสร้างโลหะผสมกับอะลูมิเนียมได้ และแกลเลียมสามารถละลายการเคลือบอะลูมิเนียมออกไซด์บนพื้นผิวได้ ทำให้ปฏิกิริยาดำเนินต่อไปได้ [4] และโลหะแกลเลียมสามารถรีไซเคิลและนำกลับมาใช้ใหม่ได้ การใช้โลหะผสมอะลูมิเนียมแกลเลียมช่วยแก้ปัญหาการเตรียมอย่างรวดเร็ว การจัดเก็บและขนส่งพลังงานไฮโดรเจนอย่างปลอดภัยได้อย่างมาก ช่วยปรับปรุงความปลอดภัย เศรษฐกิจ และปกป้องสิ่งแวดล้อม

4. สาขาการแพทย์

แกลเลียมมักใช้กันทั่วไปในทางการแพทย์เนื่องจากคุณสมบัติการแผ่รังสีที่เป็นเอกลักษณ์ ซึ่งสามารถใช้สำหรับการถ่ายภาพและยับยั้งเนื้องอกมะเร็งได้ สารประกอบแกลเลียมมีฤทธิ์ต้านเชื้อราและแบคทีเรียที่ชัดเจน และสุดท้ายก็ทำให้เกิดการฆ่าเชื้อได้โดยการรบกวนการเผาผลาญของแบคทีเรีย นอกจากนี้ โลหะผสมแกลเลียมยังใช้ทำเทอร์โมมิเตอร์ได้ เช่น เทอร์โมมิเตอร์ดีบุกแกลเลียมอินเดียม ซึ่งเป็นโลหะผสมเหลวชนิดใหม่ที่ปลอดภัย ปลอดสารพิษ และเป็นมิตรต่อสิ่งแวดล้อม และสามารถใช้แทนเทอร์โมมิเตอร์ปรอทที่เป็นพิษได้ นอกจากนี้ โลหะผสมแกลเลียมในปริมาณหนึ่งยังมาแทนที่อะมัลกัมเงินแบบเดิม และใช้ในทางคลินิกเป็นวัสดุอุดฟันชนิดใหม่

3、แนวโน้ม

แม้ว่าจีนจะเป็นหนึ่งในผู้ผลิตแกลเลียมรายใหญ่ของโลก แต่อุตสาหกรรมแกลเลียมของจีนยังคงมีปัญหาอยู่มากมาย เนื่องจากแกลเลียมมีปริมาณต่ำในฐานะแร่ธาตุคู่ขนาน การผลิตแกลเลียมจึงกระจัดกระจาย และมีจุดอ่อนในห่วงโซ่อุตสาหกรรม กระบวนการขุดมีมลภาวะต่อสิ่งแวดล้อมอย่างร้ายแรง และกำลังการผลิตแกลเลียมที่มีความบริสุทธิ์สูงค่อนข้างอ่อนแอ โดยส่วนใหญ่ต้องพึ่งพาการส่งออกแกลเลียมหยาบในราคาต่ำและนำเข้าแกลเลียมกลั่นในราคาสูง อย่างไรก็ตาม ด้วยการพัฒนาของวิทยาศาสตร์และเทคโนโลยี การปรับปรุงมาตรฐานการครองชีพของผู้คน และการใช้แกลเลียมอย่างแพร่หลายในด้านข้อมูลและพลังงาน ความต้องการแกลเลียมก็จะเพิ่มขึ้นอย่างรวดเร็วเช่นกัน เทคโนโลยีการผลิตแกลเลียมที่มีความบริสุทธิ์สูงซึ่งค่อนข้างล้าหลังจะจำกัดการพัฒนาอุตสาหกรรมของจีนอย่างหลีกเลี่ยงไม่ได้ การพัฒนาเทคโนโลยีใหม่มีความสำคัญอย่างยิ่งต่อการบรรลุการพัฒนาวิทยาศาสตร์และเทคโนโลยีที่มีคุณภาพสูงในจีน