非常に魔法のような金属があります。日常生活では水銀のような液体の形で現れます。缶の上に落とすと、瓶は紙のようにもろくなり、突いただけで割れてしまいます。また、銅や鉄などの金属の上に落とした場合も同様の現象が発生し、これを「メタルターミネーター」と呼びます。何が原因でそのような特徴を持つのでしょうか？今日は金属ガリウムの世界に入ります。
1、元素とはガリウム金属
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℃と高くなります。夏場はほとんどが液体であり、手のひらに乗せると溶けてしまいます。上記の特性から、ガリウムは融点が低いため、他の金属を腐食する可能性があることがわかります。液体ガリウムは他の金属と合金を形成しますが、これは前述した魔法の現象です。地殻中の含有量はわずか約0.001%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の周期表を要約し、亜鉛の次にアルミニウムの下に、アルミニウムと同様の性質を持ち「アルミニウム様元素」と呼ばれる元素があると予測しました。1875 年、フランスの科学者ボボードランドが同じ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) に奇妙な光の帯を発見したため、この「アルミニウムのような元素」を発見し、祖国の名前にちなんで名付けました。フランス（ガリア、ラテン語のガリア）では、この元素を表す記号が Ga であったため、ガリウムは化学元素発見の歴史の中で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、カザフスタンおよび世界の他の国々に分布しており、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に分布しています。および他の場所[1]。分布形態としては、山西省、山東省などがボーキサイト、錫鉱石が雲南省など、閃亜鉛鉱が主に湖南省などに存在します。金属ガリウムが発見された当初、その応用に関する研究が不足していたため、人々はそれが有用性の低い金属であると常に信じてきました。しかし、情報技術の発展と新エネルギー・ハイテク時代に伴い、金属ガリウムは情報分野の重要な材料として注目され、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使用され、ガリウムヒ素（GaAs）材料が最も広く使用されており、技術も最も成熟しています。情報伝達の媒体である半導体材料は、主に無線通信に使用されるガリウムの総消費量の 80% ～ 85% を占めます。ガリウムヒ素パワーアンプは通信伝送速度を4Gネットワークの100倍に高めることができ、5G時代の到来に重要な役割を果たす可能性がある。さらに、ガリウムは、その熱特性、低い融点、高い熱伝導率、および優れた流動性能により、半導体アプリケーションの放熱媒体として使用できます。ガリウム金属をガリウムベースの合金の形でサーマルインターフェース材料に適用すると、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電池へと移行しました。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で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 電池は、製造コストが低く、大量生産が可能、光電変換率が高いという利点があり、幅広い開発の可能性があります。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電池と比較して、変換効率において大きな利点があります。しかし、ガリウムヒ素材料は製造コストが高いため、現在で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、人々は非再生可能エネルギー源の代替を模索していますが、中でも水素エネルギーは注目を集めています。しかし、水素の貯蔵と輸送はコストが高く、安全性が低いため、この技術の開発は妨げられています。地殻内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が、金属アルミニウムの表面は酸化しやすいため、緻密なアルミニウム酸化膜が形成されます。が反応を阻害しますが、研究者らは、低融点金属ガリウムがアルミニウムと合金を形成することができ、ガリウムが表面の酸化アルミニウムコーティングを溶解して反応を進行させることができることを発見しました[4]。金属ガリウムはリサイクルして再利用できます。 。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準備と安全な貯蔵と輸送の問題を大幅に解決し、安全性、経済性、および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一般的に使用されており、悪性腫瘍のイメージングや抑制に使用できます。ガリウム化合物には明らかな抗真菌作用と抗菌作用があり、最終的には細菌の代謝を妨害することで殺菌を実現します。また、ガリウム合金は、安全で無毒で環境に優しい新しいタイプの液体金属合金であるガリウムインジウムスズ温度計などの温度計の製造に使用でき、有毒な水銀温度計の代替として使用できます。さらに、一定割合のガリウムベースの合金が従来の銀アマルガムに取って代わり、新しい歯科充填材料として臨床用途で使用されています。
3、今後の展望
中国は世界のガリウムの主要生産国の一つであるが、中国のガリウム産業には依然として多くの問題がある。コンパニオンミネラル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分散しており、産業チェーンのつながりが弱い。採掘プロセスは深刻な環境汚染を抱えており、高純度ガリウムの生産能力は比較的弱く、主に粗製ガリウムを低価格で輸出し、精製ガリウムを高価格で輸入することに依存している。しかし、科学技術の発展、国民生活の向上、情報・エネルギー分野でのガリウムの普及に伴い、ガリウムの需要も急速に増加すると考えられます。高純度ガリウムの比較的後進的な生産技術は、中国の産業発展に制約を与えることは避けられない。中国における質の高い科学技術の発展を実現するためには、新技術の開発が極めて重要である。
投稿日時: 2023 年 5 月 17 日