不思議な力を持つ金属があります。日常生活では、水銀のように液体の形で現れます。それを缶に落とすと、瓶が紙のように脆くなり、軽く突くだけで破れてしまうことに驚くでしょう。さらに、銅や鉄などの金属に落とすと、このような状態になり、「金属ターミネーター」とも呼ばれます。なぜこのような特性を持つのでしょうか？今日は、金属ガリウムの世界をご紹介します。
1、どの要素がガリウム金属
ガリウム元素は、元素周期表の第4周期IIIA族に属します。純粋なガリウムの融点は29.78℃と非常に低いですが、沸点は2204.8℃と高く、夏には大部分が液体で、手のひらに置くと溶けます。上記の特性から、ガリウムが他の金属を腐食できるのは、まさにその融点が低いためだと理解できます。液体のガリウムは他の金属と合金を形成しますが、これは前述の不思議な現象です。地殻中の含有量はわずか0.001％程度で、その存在は140年前まで発見されませんでした。1871年、ロシアの化学者メンデレーエフは元素周期表をまとめ、亜鉛の後にアルミニウムの下にも元素があり、アルミニウムと似た性質を持ち、「アルミニウム様元素」と呼ばれていると予測しました。 1875年、フランスの科学者ボワボードランが同族の金属元素のスペクトル線の法則を研究していたとき、閃亜鉛鉱（ZnS）に奇妙な光帯を発見し、この「アルミニウムのような元素」を発見し、祖国フランス（ガリア、ラテン語のガリア）にちなんでこの元素にGaと名付け、この元素を表す記号としてGaを用いました。こうしてガリウムは化学元素発見の歴史において最初に予測された元素となり、その後実験で確認された元素が見つかりました。
ガリウムは主に中国、ドイツ、フランス、オーストラリア、カザフスタンなど世界に分布しており、そのうち中国のガリウム資源埋蔵量は世界全体の95％以上を占め、主に山西省、貴州省、雲南省、河南省、広西チワン族自治区などに分布しています[1]。分布形態別に見ると、山西省、山東省などは主にボーキサイト、雲南省などはスズ鉱石、湖南省などは主に閃亜鉛鉱として存在しています。ガリウム金属が発見された当初は、その応用に関する研究が不足していたため、利用価値の低い金属だと思われていました。しかし、情報技術の継続的な発展と新エネルギー・ハイテク時代を迎えるにあたり、ガリウム金属は情報分野の重要な材料として注目を集め、その需要も大幅に増加しています。
2、金属ガリウムの応用分野
1. 半導体分野
ガリウムは主に半導体材料の分野で利用されており、中でもガリウムヒ素（GaAs）材料が最も広く利用されており、技術も最も成熟しています。情報伝達の担い手として、半導体材料はガリウム総消費量の80％～85％を占め、主に無線通信に使用されています。ガリウムヒ素電力増幅器は、通信伝送速度を4Gネットワークの100倍に高めることができ、5G時代への参入において重要な役割を果たすことができます。さらに、ガリウムは、その熱特性、低融点、高熱伝導性、良好な流動性により、半導体用途の放熱媒体として使用することができます。ガリウム金属をガリウム基合金の形で熱伝導性材料に適用することで、電子部品の放熱能力と効率を向上させることができます。
2. 太陽電池
太陽電池の開発は、初期の単結晶シリコン太陽電池から多結晶シリコン薄膜セルへと移行してきました。多結晶シリコン薄膜セルはコストが高いため、研究者は半導体材料として銅インジウムガリウムセレン薄膜（CIGS）セルを発見しました[3]。CIGSセルは、生産コストが低く、大量生産が可能で、光電変換率が高いなどの利点があり、幅広い開発の見通しがあります。第二に、ガリウムヒ素太陽電池は、他の材料で作られた薄膜セルと比較して、変換効率の点で大きな利点があります。しかし、ガリウムヒ素材料は生産コストが高いため、現在は主に航空宇宙および軍事分野で使用されています。
3. 水素エネルギー
世界中でエネルギー危機への意識が高まる中、非再生エネルギー源の代替が模索されており、その中でも水素エネルギーは際立っています。しかし、水素の貯蔵・輸送の高コストと低い安全性が、この技術の発展を妨げています。地殻で最も豊富な金属元素であるアルミニウムは、特定の条件下で水と反応して水素を生成することができ、理想的な水素貯蔵材料です。しかし、金属アルミニウムの表面は酸化されやすく、緻密な酸化アルミニウム膜を形成して反応を阻害するため、研究者らは、低融点の金属ガリウムがアルミニウムと合金を形成し、ガリウムが表面の酸化アルミニウム被膜を溶解して反応を進行させ、金属ガリウムをリサイクルして再利用できることを発見しました[4]。アルミニウムガリウム合金材料の使用は、水素エネルギーの迅速な製造と安全な貯蔵・輸送の問題を大幅に解決し、安全性、経済性、環境保護を向上させます。
4. 医療分野
ガリウムは、その独特の放射線特性により、医療分野で広く利用されており、悪性腫瘍の画像化や抑制に利用されています。ガリウム化合物は明らかな抗真菌作用と抗菌作用を有し、最終的には細菌の代謝を阻害することで殺菌効果を発揮します。また、ガリウム合金は温度計の製造にも利用されており、例えばガリウムインジウムスズ温度計は、安全で無毒、環境に優しい新しいタイプの液体金属合金であり、有毒な水銀温度計の代替として使用できます。さらに、一定量のガリウムベースの合金は、従来の銀アマルガムの代替として、新しい歯科充填材として臨床応用されています。
3、展望
中国は世界の主要なガリウム生産国の一つですが、中国のガリウム産業には依然として多くの問題があります。伴鉱物としてのガリウムの含有量が低いため、ガリウム生産企業は散在しており、産業チェーンに脆弱な部分があります。採掘プロセスは深刻な環境汚染を引き起こし、高純度ガリウムの生産能力は比較的弱く、主に安価な粗ガリウムの輸出と高価な精製ガリウムの輸入に依存しています。しかし、科学技術の発展、人々の生活水準の向上、情報やエネルギー分野におけるガリウムの広範な応用に伴い、ガリウムの需要も急速に増加します。高純度ガリウムの比較的遅れた生産技術は、中国の産業発展に必然的に制約をもたらします。新しい技術の開発は、中国における科学技術の高品質な発展を実現するために重要な意義を持っています。
投稿日時: 2023年5月17日