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神奇的“終結(jié)者”元素

2019/12/25
導(dǎo)讀
打破現(xiàn)實與科幻之間的藩籬

鎵是第一個先經(jīng)理論預(yù)言，后在自然界中提取到的化學元素。它的發(fā)現(xiàn)對元素周期表的重要性起到了關(guān)鍵的證實作用，也把門捷列夫的聲望推到新的高度。鎵的化合物不僅在現(xiàn)實生活中有著廣泛的應(yīng)用，以鎵合金為代表的液態(tài)金屬還經(jīng)常作為一種神奇元素出現(xiàn)在科幻創(chuàng)作中。


（圖源：ru.wikipedia.org）


撰文 | 李研


鎵（Ga）在元素周期表中的原子序數(shù)為31，位于第3主族、第4周期，是一種質(zhì)地柔軟的銀白色金屬。這種元素看起來無甚奇特，但它的發(fā)現(xiàn)在化學史上具有重要意義。

縱觀人類文明的發(fā)展史，有一些化學元素（如金、銀、銅、鐵等）因為在自然界中很容易獲取或分離出單質(zhì)，所以較早就被利用在生產(chǎn)和生活中。那時候一種元素的發(fā)現(xiàn)純屬偶然，也不會有人刻意記錄某個元素是被誰發(fā)現(xiàn)的。

工業(yè)革命開啟之后，人們逐漸掌握了比較復(fù)雜的化學分離技術(shù)，并開始有意識的去尋找新的元素，但新元素的發(fā)現(xiàn)依然主要靠在實踐中積累的直覺經(jīng)驗，缺乏理論指導(dǎo)。 


元素周期律的創(chuàng)建改變了這種狀況，鎵就是第一個先經(jīng)理論預(yù)言，后才在自然界中提取到的化學元素。

門捷列夫的神預(yù)言

早在1871年，門捷列夫在設(shè)計元素周期表時，就在鋁元素的下一行留下一個空白。他認為這是一種未知的元素，原子量大約是68，密度為5.9 g/cm3，性質(zhì)與鋁相似。因此，他將這種元素稱為“類鋁”（ eka-aluminium）。


門捷列夫最初設(shè)計的元素周期表中“類鋁” 的位置（圖源：wikipedia）


法國化學家布瓦邦德朗（Paul Emile Lecoq de Boisbaudran）決定找出這種元素。他起初分析了許多礦石都沒有成功。而后，他注意到原子量為30的鋅元素與這種未知元素的序數(shù)相鄰（當時原子序數(shù)為32的鍺元素還未被發(fā)現(xiàn)），于是就有意在各種鋅礦石中尋找第31號元素。雖然這種直覺沒有絕對的科學依據(jù)，但元素周期表中相鄰的金屬在礦石中共生（如銅鋅礦，釩鈦礦和稀土礦等）的確是一種常見的現(xiàn)象。

1875年，布瓦邦德朗幸運的在來自比利牛斯山的閃鋅礦（主要成分為ZnS） 中找到了這種新元素的痕跡。他在礦石的原子光譜中觀察到了一條未知的紫色線，并斷定這是一種新元素。他將這種元素命名為Gallium，來源于拉丁文“Gallia”（高盧），這是羅馬帝國統(tǒng)治時期法國地區(qū)的名稱。

隨后，布瓦邦德朗利用電極電解鎵的氫氧化物，從大量礦石中提取了不到1 g較純凈的金屬鎵，并測量了這種新元素的一些化學和物理性質(zhì)。他向法國科學院公布鎵的發(fā)現(xiàn)之后，很快收到遠在俄羅斯的門捷列夫的來信。門捷列夫在信中指出他公布的鎵的性質(zhì)不完全正確，特別是這個金屬的比重不應(yīng)當是4.7，而是接近6.0。

這封來信讓布瓦邦德朗感到驚異，因為門捷列夫還沒有實際接觸到鎵。但他還是仔細地清除了樣品中的雜質(zhì)，重新計算了鎵的比重，結(jié)果獲得的數(shù)值正是5.9。

對比門捷列夫的推測與鎵元素的實際性質(zhì)，我們不難看出實驗結(jié)果與預(yù)期的驚人相符。布瓦邦德朗在后來發(fā)表的一篇論文中寫到：“我認為沒有必要再來說明門捷列夫先生這一理論的偉大意義了?！?/section>


實際上，當門捷列夫于1869年剛發(fā)布他總結(jié)的元素周期表時，并沒有立刻引起包括布瓦邦德朗在內(nèi)的西方學術(shù)界的足夠重視。因為那個時期宣稱發(fā)現(xiàn)元素周期律的不止門捷列夫一人，化學家們已經(jīng)厭倦了形形色色、層出不窮的分類體系。


然而，鎵的發(fā)現(xiàn)對元素周期表的重要性起到了關(guān)鍵的證實作用，也把門捷列夫的聲望推到新的高度。就在布瓦邦德朗尋找鎵元素的同一時期，恩格斯正在撰寫《自然辯證法》。他在這本巨著中記述了在理論指導(dǎo)下鎵元素的發(fā)現(xiàn)，并對元素周期律的創(chuàng)建給與了高度評價。他認為，這項勛業(yè)與天文學家勒維耶利用天王星運行數(shù)據(jù)來準確預(yù)測海王星的存在和軌道一樣偉大。


稀有而分散

相對于其他金屬元素，鎵被發(fā)現(xiàn)的時間較晚，這可能與其是分散元素，無單獨成礦有關(guān)。鎵在地殼中的含量大約為 18 ppm， 豐度與鉛和鈷相近。雖然單從數(shù)值上看并不是很低，但鎵的開采卻遠比鉛和鈷困難。鎵在礦石中的含量通常不超過0.1%，常與鋁、鋅、鍺的礦物共生，所以鎵一般是從這些金屬礦石冶煉中的副產(chǎn)物中獲取的。


除了金屬礦石，粉煤灰中也含有總量可觀的鎵元素（有時可達接近1%的重量比）。中國是產(chǎn)煤大國，如何讓粉煤灰變廢為寶，實現(xiàn)高效利用，也是我國資源綜合利用面臨的重要問題。

隨著鎵消費量的不斷增長以及鎵應(yīng)用領(lǐng)域的拓展，金屬鎵的重要性也被越來越多的國家注意到。我國已經(jīng)于2011年將鎵列為戰(zhàn)略儲備金屬，開始重視對鎵的戰(zhàn)略儲備。而美國、日本數(shù)年前就已經(jīng)將金屬鎵定位為“戰(zhàn)略資源”，歐盟則將鎵列入了“緊缺名單”。


新一代半導(dǎo)體材料

雖然獲取不易，鎵元素在現(xiàn)代人的生活中卻扮演著不可或缺的角色。


目前鎵元素最大的消費領(lǐng)域是在半導(dǎo)體行業(yè)，約占總消費量的80%。主要集中在光電材料、太陽能電池、磁性材料等。其中，銅銦鎵硒（CIGS）薄膜太陽能電池被稱為第三代太陽能電池，目前光電轉(zhuǎn)換效率可超過15%，是有助于緩解能源危機的新型光伏器件。而氮化鎵（GaN）更被譽為第三代半導(dǎo)體材料，在光電子、高溫大功率器件和高頻微波器件應(yīng)用方面有著廣闊的前景。


CIGS 太陽能電池可以制作成便攜的柔性器件（圖源：wikipedia）


  • 半導(dǎo)體照明


2014年諾貝爾物理學獎授予來自三名來自美國和日本的科學家，以表彰他們發(fā)明了藍色發(fā)光二極管（LED）技術(shù)。藍光LED器件中包含幾種不同的GaN層，技術(shù)實現(xiàn)的難點也在于高質(zhì)量GaN晶體的生長。藍光二極管的產(chǎn)生，使得LED三元色完備，白光顯像成為可能。如今，LED照明在手機，電視和廣場大屏幕中都有應(yīng)用，它所耗費的能源要比相同亮度的白熾燈和日光燈小得多。這讓其在能源需求迅速增長的時代，具有格外重要的意義。


3 mm 藍色LED（圖源：jolliFactory）


  • 5G網(wǎng)絡(luò)


5G網(wǎng)絡(luò)是一次通訊技術(shù)飛躍，在當下備受關(guān)注。高頻傳輸技術(shù)是5G網(wǎng)絡(luò)的核心。為了提升無線傳輸速率，5G 通訊采用毫米波，這對于器件功率的要求非常高。與傳統(tǒng)的硅半導(dǎo)體材料相比，GaN 帶隙寬、電子遷移率高。它能夠讓功率器件在更高的電壓、頻率和溫度下運行，是目前最有希望的用于5G基站功率放大器芯片的材料。

  • 手機快充


隨著手機電池容量的不斷增加，大功率的快充變得越來越重要。在這方面，GaN也為消費者帶來一些清晰可見的改變。比如，Anker的30 W GaN充電器已經(jīng)成功投放到市場，因為采用了來自Power Integration的GaN芯片，其體積比蘋果官方20 W充電器還縮小了40%。


采用GaN器件的充電器功率更大，體積卻比傳統(tǒng)硅器件的充電器小。（圖源：Anker）


“終結(jié)者“元素

鎵的化合物不僅在現(xiàn)實生活中有廣泛的應(yīng)用，以鎵合金為代表的液態(tài)金屬還經(jīng)常作為一種神奇元素出現(xiàn)在科幻創(chuàng)作中?？催^《終結(jié)者》系列科幻電影的讀者都知道，劇情中的反派擁有一副反應(yīng)敏捷，可以液態(tài)滲透，還能自我修復(fù)的不死之身。在現(xiàn)實世界中我們當然還找不到這樣的物質(zhì)或生命，但如果一定要選出一種性質(zhì)與其最為接近的材料，那可能非液態(tài)金屬莫屬。


《終結(jié)者：黑暗命運》中全新進化的液態(tài)金屬終結(jié)者Rev-9


相比于其他液體，金屬本身的導(dǎo)電導(dǎo)熱性非常好，適合通過電場和加熱激活；而相比于普通固態(tài)金屬，液態(tài)金屬又具備非常強的流性，從而具備了編程可控性。這些特性都是構(gòu)筑可變形智能機器的基本要素?？梢哉f，假如人類想要一種可以極其精細地改變復(fù)雜形狀與移動軌跡的材料，那么液態(tài)金屬是目前最佳的選擇。


最常見的液態(tài)金屬是汞（Hg），但汞沸點低容易揮發(fā)，且汞蒸汽有劇毒，使用起來必須小心翼翼。相比之下，鎵在實際應(yīng)用中更為理想。盡管鎵在室溫下通常是固體，但鎵的熔點很低，只有29.76攝氏度，是汞之外極少數(shù)在接近室溫條件下呈液態(tài)的金屬。如果撿起一塊鎵握在手里，它會因體溫而變?yōu)橐簯B(tài)。離開手心，它又將再次固化。而且，鎵的沸點高達2204攝氏度。它的液態(tài)溫度范圍之寬在自然界穩(wěn)定存在的元素中排名第一 ，所以一般也不用擔心金屬蒸汽揮發(fā)的風險。


一個經(jīng)典的魔術(shù)利用了鎵低熔點的物理特性：用金屬鎵制成一把湯勺，在熱水里攪一攪，勺子就會神奇般的融化。


在液態(tài)金屬的研究中，中國正成為該領(lǐng)域的領(lǐng)跑者。例如，清華大學和中科院理化技術(shù)研究所的研究團隊合作，在液態(tài)金屬領(lǐng)域取得了許多開創(chuàng)性成果。他們通過嵌入可編程的加熱系統(tǒng)，將鎵基液態(tài)金屬與硅膠的復(fù)合材料制備成一系列新穎獨特的概念型功能物和柔性機器模型。比如：可進行熱響應(yīng)而自由變形的軟體章魚、可以溫控定向蠕動的軟體動物以及可以抓取重物的柔性抓手等。此外，利用該鎵基復(fù)合材料，還能做出可持續(xù)變形和運動的非接線機器人，甚至可模擬整個人形/動物形狀或其局部臉型變化。這些突破都開啟了人們想象的空間，讓可編程、可變形的液態(tài)金屬智能機器人離我們的現(xiàn)實生活又近了一步。 


鎵元素因其獨特性質(zhì)成為眾多領(lǐng)域的研究前沿和熱點。它在為我們生活帶來驚喜和變革的同時，也賦予人們神奇的遐想。伴隨著科學的進步，也許終有一天現(xiàn)實與科幻之間的藩籬將被打破。只不過展現(xiàn)在我們面前的應(yīng)該不是電影中代表邪惡與黑暗的“終結(jié)者”，而是一個更加美好和光明的世界。


參考資料

1. Dmitri Mendeleev: https://en.wikipedia.org/wiki/Dmitri_Mendeleev

2. Gallium：https://en.wikipedia.org/wiki/Gallium

3. 凌永樂，《化學元素的發(fā)現(xiàn)》，科學出版社，2001年7月第二版

4. 鎵的發(fā)現(xiàn)及行業(yè)發(fā)展史：http://baike.asianmetal.cn/metal/ga/history.shtml

5. Copper indium gallium selenide solar cells: https://en.wikipedia.org/wiki/Copper_indium_gallium_selenide_solar_cells

6. 氮化鎵(GaN)：5G時代提高射頻前端和無線充電效率的新元素：https://www.eet-china.com/news/201909231709.html

7. Y. Ding, M. Zeng, L. Fu, A Bright Future for Liquid Functional Materials? Matter, 2019, 1, 1099.

8. H. Wang, Y. Yao, X. Wang, L. Sheng, X. Yang, Y. Cui, P. Zhang, W. Rao, R. Guo, S. Liang, W. Wu, J. Liu, Z. He, Large-Magnitude Transformable Liquid-Metal Composites, ACS Omega 2019, 4, 2311.

9. J. Zhang, Y. Yao, L. Sheng, J. Liu, Self‐Fueled Biomimetic Liquid Metal Mollusk. Adv. Mater., 2015, 27, 2648. 

10. 柔性可變形智能機器人？有戲！：http://it.people.com.cn/n1/2019/0218/c1009-30759768.html


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