神奇又珍貴的“鎵”
◎? 李海廣 宋慶元
有一種特別神奇的金屬,，常以固態(tài)或液態(tài)形式存在,，如果將液態(tài)的它滴在易拉罐上,，你會驚奇地發(fā)現(xiàn)瓶身變得像紙一樣脆,，一捅即破,；如果將其滴在銅,、鐵等金屬上,，同樣如此,，研究人員戲稱它是“金屬終結(jié)者”,。
這種金屬還特別有意思,，如同巧克力一樣，放在手里就會慢慢融化,，被人們稱之為“巧克力元素”,。
當然，除了神奇,、有意思之外,，它的作用還很重要,，用途也較廣泛。由于它熔點低,、沸點高,，被譽為“電子工業(yè)的脊梁”。它就是金屬“鎵”,。
“鎵”的發(fā)現(xiàn)
鎵是先有理論預言,，后來才在自然界中被發(fā)現(xiàn)驗證的金屬元素。
法國化學家布瓦博德朗在用光譜分析法分析元素時,，發(fā)現(xiàn)鋁和銦等硼族元素的譜線呈現(xiàn)相同的排列方式,，且變化具有明顯的規(guī)律性，進而推測鋁和銦兩種元素之間可能存在一種全新的元素,。1865年,，布瓦博德朗開始利用光譜分析法潛心研究尋找這種未知元素。1868年,，他收集到法國一礦區(qū)的鋅礦石,，并把鋅礦石溶于過量的鹽酸中，然后加入一些鋅金屬,，結(jié)果在鋅金屬的表面發(fā)現(xiàn)了沉積物,。他把這種沉積物放在氫氧焰上灼燒，找到了關于這種元素的兩條穩(wěn)定的紫色光譜線,。1875年,，他確認了這種全新的元素，并通過電解其氫氧化物得到了這種新金屬,。他用法國的拉丁文名稱高盧一詞命名這種新元素,，元素符號為Ga，中文名為“鎵”,。
“鎵”的屬性
鎵元素是元素周期表第四周期IIIA族金屬,，原子序數(shù)為31。鎵金屬熔點為29.76℃,，沸點為2403℃,，是自然界處于液態(tài)條件下溫度范圍最寬的金屬元素。固體鎵外觀呈藍灰色,，液體鎵呈銀白色,。鎵在低溫時硬而脆，超過室溫就會熔化,。鎵的凝固點很低,，由液態(tài)轉(zhuǎn)化為固態(tài)時，膨脹率為3.2%,，這一性質(zhì)與水結(jié)冰體積膨脹類似,。鎵對其他金屬具有極強的“腐蝕性”,，適宜存放在塑料容器之中。
鎵屬于兩性金屬,，既可溶于酸也可溶于堿,。與鋁一樣，鎵在干燥的空氣中表面會氧化形成薄薄的一層氧化物薄膜,，從而阻止內(nèi)部繼續(xù)氧化,。但實驗表明，在潮濕的空氣中,，鎵金屬會持續(xù)發(fā)生氧化反應，從而失去光澤度,。
由于鎵的原子半徑小,，所以更容易與其他金屬形成合金。有鎵的存在,，合金便有了更低的熔點,，這樣的材料不僅易加工、穩(wěn)定性強,，還可降低成本,。國外曾研制出了一種變形液態(tài)金屬——鎵銦合金，它在常溫下是液體狀態(tài),，可用作汞的替代品,。科研人員驚奇地發(fā)現(xiàn),，通過改變電壓,，還能調(diào)整其液態(tài)金屬的表面張力和金屬塊黏度，從而使其變成不同的形狀,。
“鎵”的用途
金屬鎵的應用領域十分廣泛,，包括半導體材料和光學電子材料、太陽能電池,、合金材料,、醫(yī)療器械、磁性材料等,。其中,，應用最多的領域是新興半導體行業(yè)，占到整個鎵消費量的80%以上,，其次為太陽能電池,、醫(yī)學材料、LED及光學設備等,。
鎵是半導體的材料元素之一,，氮化鎵,、砷化鎵、磷化鎵都是含有鎵元素的半導體,，鍺半導體中也摻雜鎵元素,。作為第二代半導體材料，砷化鎵因價格昂貴而素有“半導體貴族”之稱,。砷化鎵擁有比硅更好的電子特性,，例如噪音更小、電子遷移率更高等,，被廣泛應用于遙控,、手機、DVD計算機外設,、照明,、太陽能電池等諸多光電子領域。
鎵與銦,、鉈,、錫、鉍,、鋅等多種金屬元素可以組成一系列的低熔點合金,，這些合金可用于生產(chǎn)溫度測控設備、儀表中的汞替代物,、金屬特殊涂層,、電子工業(yè)及核工業(yè)中的冷卻回路材料等。例如,，含25%銦的銦鎵合金,，在16 ℃時就會熔化成液態(tài)，它可用來制作自動滅火裝置的感應設備,。鎵與銅,、鎳、錫,、金等可組成冷焊劑,，特別適用于難以用普通材料焊接的異型薄壁材料上，尤其是金屬之間以及金屬與陶瓷之間的冷焊接環(huán)境,。
砷化鎵太陽能電池是一種具有高耐熱,、耐輻射、光電轉(zhuǎn)換率高等特性的電池,，常被應用到航天和軍工領域,。銅銦鎵硒可用于制作一種薄膜太陽能電池，具有生產(chǎn)使用成本低,、光電轉(zhuǎn)換率高的優(yōu)點,，因而在眾多太陽能電池產(chǎn)品中備受青睞,。
鎵金屬及其化合物還廣泛應用于抗菌抑菌、生物醫(yī)療成像,、醫(yī)用充填材料,、醫(yī)療診斷、疾病治療等生物醫(yī)學領域,。比如,，鎵能夠作為新型顯像劑為患者提供全新的病癥信息。鎵對光具有很強的反射作用,，液態(tài)鎵對一定波長范圍的光具有高反射率,，同時液態(tài)稼又能很好地粘附在玻璃的表面，這兩種性質(zhì)使鎵能夠制造特種光學鎵鏡,。鎵的合金可以應用到醫(yī)療器件和醫(yī)用材料中,，例如利用鎵合金的理化性質(zhì)和無毒性、無刺激性,，可將其作為牙齒填充、修復材料,。銦鎵合金體溫計可用于醫(yī)療診斷,，例如枸櫞酸鎵可用于腫瘤陽性顯像以及肺、肝,、脾和淋巴系統(tǒng)腫瘤診斷,。
相信，隨著科技的進步和產(chǎn)業(yè)的發(fā)展,，神奇又珍貴的鎵一定會在未來發(fā)揮更大的作用,。
（作者單位：中國地質(zhì)調(diào)查局哈爾濱自然資源綜合調(diào)查中心,；本文配圖由作者提供,。）
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