Gallium là gì? Tính chất, ứng dụng và vai trò trong công nghệ hiện đại

Chu Văn An

Gallium – một nguyên tố kim loại có thể tan chảy trong lòng bàn tay nhưng lại là thành phần không thể thiếu trong công nghệ vi điện tử hiện đại. Từ chip máy tính và màn hình LED đến pin mặt trời và thuốc trị ung thư, Gallium đang âm thầm thúc đẩy một cuộc cách mạng công nghệ. Bài viết dưới đây sẽ giúp bạn hiểu rõ hơn về Gallium: tính chất vật lý, ứng dụng công nghiệp, nguồn cung cấp và những thách thức trong tương lai.

1. Gallium là gì?

Gallium là nguyên tố hóa học có ký hiệu Ga, số nguyên tử 31, thuộc nhóm kim loại chuyển tiếp trong bảng tuần hoàn. Được phát hiện vào năm 1875 bởi nhà hóa học người Pháp Paul-Émile Lecoq de Boisbaudran, Gallium nhanh chóng thu hút sự chú ý vì điểm nóng chảy rất thấp: chỉ 29,76°C, thấp hơn nhiệt độ cơ thể con người.

Trong điều kiện phòng, Gallium là một kim loại rắn mềm có thể cắt bằng dao. Tuy nhiên, chỉ khi tiếp xúc với nhiệt độ cơ thể, nó sẽ chuyển sang dạng lỏng – điều khiến Gallium trở thành nguyên tố “thần kỳ” trong mắt các nhà khoa học.

2. Tính chất vật lý và hóa học của Gallium

Thuộc tính đặc biệt:

• Gallium không tồn tại ở dạng tự nhiên mà thu được từ quá trình tinh chế quặng bauxite (nhôm) và sphalerit (kẽm).

• Không bay hơi, không nổ, không cháy – tương đối an toàn trong điều kiện bình thường.

• Có khả năng xuyên qua nhôm và làm giòn kim loại – một lý do cần phải cẩn thận khi bảo quản.

3. Nguồn gốc và trữ lượng của Gallium

Gallium không được khai thác trực tiếp mà là sản phẩm phụ từ quá trình tinh chế nhôm và kẽm. Trữ lượng gali tự nhiên ước tính khoảng 1 triệu tấn, nhưng chỉ một phần rất nhỏ được khai thác mỗi năm (~300 tấn), khiến gali được xếp vào loại nguyên liệu chiến lược.

Các nước sản xuất chính:

• Trung Quốc: chiếm hơn 80% sản lượng gali toàn cầu

• Đức, Kazakhstan, Ukraine: có nhà máy lọc gali

• Mỹ, Nhật: chủ yếu nhập khẩu, giữ vai trò tiêu thụ công nghệ

Gallium không thuộc nhóm kim loại quý hiếm xét về trữ lượng nhưng lại hiếm được khai thác thương mại vì yêu cầu công nghệ cao và giá thành cao.

4. Ứng dụng công nghiệp của Gallium

4.1. Chất bán dẫn và vi điện tử

Ứng dụng lớn nhất của gali là trong ngành công nghiệp bán dẫn, đặc biệt là ở dạng hợp chất Gallium Arsenide (GaAs) và Gallium Nitride (GaN):

• Gallium Arsenide (GaAs): được sử dụng trong chip RF, thiết bị quân sự, radar, điện thoại di động và mô-đun vệ tinh.
• Gallium Nitride (GaN): vật liệu bán dẫn hiệu suất cao, được sử dụng trong bộ sạc nhanh, trạm gốc 5G và các thiết bị điện tử công suất cao.

Lý do tại sao Gallium được ưa chuộng:

• Hiệu suất cao hơn silicon ở tần số cao và nhiệt độ cao

• Chịu nhiệt tốt, không bị nhiễu điện tử như silicon

Nhiều dự báo cho thấy GaN sẽ dần thay thế silicon trong ngành vi điện tử công suất cao từ năm 2030 trở đi.

4.2. Pin mặt trời và đèn LED

GaAs là vật liệu chế tạo pin mặt trời hiệu suất cao, đặc biệt trong công nghệ vũ trụ và vệ tinh.

Gallium Nitride LED tạo ra ánh sáng trắng, xanh lam và tím – giúp tạo ra hệ thống chiếu sáng LED hiện đại, tiết kiệm năng lượng.

4.3. Y học và dược phẩm

Gallium nitrat và gallium citrate được nghiên cứu trong điều trị ung thư, viêm và rối loạn xương.

Các hợp chất gali có đặc tính kháng khuẩn và chống viêm và được sử dụng trong điều trị bệnh đa u tủy, ung thư tuyến tiền liệt và xương yếu.

5. Ưu điểm và nhược điểm

Lợi thế:

• Không độc hại ở dạng nguyên tố

• Có tính dẫn điện và dẫn nhiệt tốt

• Ổn định trong điều kiện bình thường, ít phản ứng với không khí

• Có thể tái chế nhiều lần mà không mất đi tính chất

Nhược điểm:

• Khó bảo quản vì có thể làm hỏng nhôm

• Nguồn cung phụ thuộc vào ngành nhôm/kẽm – không ổn định

• Giá cao do chi phí tinh chế lớn

Gallium là một trong những nguyên tố kim loại “bí ẩn” nhưng thiết yếu của thời đại kỹ thuật số. Với điểm nóng chảy thấp, tính dẫn điện tốt và hiệu suất vượt trội trong các thiết bị vi điện tử, gali đóng vai trò không thể thiếu trong cuộc cách mạng bán dẫn và năng lượng xanh. Bất chấp rủi ro về chi phí cung cấp và sản xuất, gali vẫn là một phần quan trọng trong tương lai của công nghệ cao và y học hiện đại.