Gallium là gì? Các bài báo nghiên cứu khoa học liên quan

Giới thiệu về Gallium

Gallium (ký hiệu hóa học: Ga) là một nguyên tố kim loại thuộc nhóm 13 trong bảng tuần hoàn, nằm giữa nhôm (Al) và indium (In). Nó có số hiệu nguyên tử là 31 và khối lượng nguyên tử trung bình khoảng 69,723 u. Gallium là kim loại hậu chuyển tiếp, có bề ngoài ánh bạc khi ở trạng thái rắn và rất mềm – có thể cắt bằng dao ở nhiệt độ phòng. Điểm đặc trưng nổi bật nhất của gallium là điểm nóng chảy cực thấp, chỉ 29,76°C, khiến nó có thể tan chảy chỉ bằng nhiệt độ cơ thể con người.

Khả năng nóng chảy ở nhiệt độ gần môi trường của gallium khiến nó trở thành nguyên tố hiếm hoi tồn tại dưới dạng lỏng trong nhiều điều kiện sử dụng. Tuy nhiên, nó lại có điểm sôi rất cao – khoảng 2403°C – tạo nên khoảng chênh lệch pha rắn-lỏng-khí lớn nhất trong số các nguyên tố đã biết. Đặc điểm này giúp gallium có vai trò đặc biệt trong các ứng dụng yêu cầu độ ổn định nhiệt cao, chẳng hạn như trong thiết bị điện tử công suất lớn hoặc cảm biến nhiệt độ.

Gallium có độ dẫn điện và dẫn nhiệt tương đối thấp so với các kim loại khác, và không bị oxy hóa nhanh như sắt hay đồng trong điều kiện bình thường. Tuy nhiên, nó dễ phản ứng với axit và kiềm mạnh. Khi tiếp xúc lâu với không khí, bề mặt gallium sẽ xuất hiện một lớp oxit mỏng bảo vệ, làm chậm quá trình ăn mòn tiếp theo.

Tính chất vật lý và hóa học

Gallium rắn tồn tại dưới dạng cấu trúc tinh thể orthorhombic không đối xứng, khác biệt với đa số kim loại có cấu trúc mạng lập phương (FCC hoặc BCC). Tính chất này khiến nó giòn và dễ vỡ ở trạng thái rắn, nhưng lại chảy thành chất lỏng có độ nhớt thấp khi được đun nóng nhẹ. Dưới đây là một số thông số kỹ thuật của gallium:

Về mặt hóa học, gallium thường tạo ra hợp chất ở trạng thái oxi hóa +3. Một trong những hợp chất phổ biến nhất là gallium(III) oxide ($\text{Ga}_2\text{O}_3$), được sử dụng trong ngành điện tử và quang điện. Ngoài ra, gallium có thể tạo liên kết với nhiều phi kim khác như nitơ, asen, và clo để tạo thành các hợp chất có tính chất bán dẫn mạnh.

Gallium không phản ứng mạnh với nước ở nhiệt độ phòng nhưng có thể phản ứng với axit hydrochloric hoặc kiềm đặc. Danh sách một số phản ứng tiêu biểu:

• Ga + HCl → GaCl3 + H2
• Ga + NaOH + H2O → Na[Ga(OH)4] + H2

Lịch sử phát hiện và đặt tên

Gallium được phát hiện vào năm 1875 bởi nhà hóa học người Pháp Paul-Émile Lecoq de Boisbaudran thông qua kỹ thuật phân tích quang phổ, một phương pháp mới mẻ vào thời điểm đó. Trong khi đang khảo sát một mẫu khoáng sphalerite (quặng kẽm), ông phát hiện một vạch phổ chưa từng được ghi nhận, và sau đó phân lập được nguyên tố mới – gallium.

Sự phát hiện gallium là một chiến thắng khoa học mang tính xác thực cho bảng tuần hoàn của Mendeleev. Trước đó, nhà hóa học người Nga Dmitri Mendeleev đã dự đoán sự tồn tại của một nguyên tố chưa phát hiện mà ông gọi là “eka-nhôm” (do vị trí của nó nằm ngay dưới nhôm trong bảng tuần hoàn). Các đặc điểm mà Mendeleev dự đoán về nguyên tố này như khối lượng nguyên tử, tính chất hóa học, và khả năng tạo hợp chất đều trùng khớp gần như hoàn hảo với gallium sau này.

Tên gọi “Gallium” xuất phát từ “Gallia” – tên Latin của nước Pháp – như một cách để vinh danh quốc tịch của người khám phá ra nguyên tố. Một số nguồn không chính thống cho rằng tên gọi cũng là cách Lecoq chơi chữ dựa trên họ của mình (“le coq” nghĩa là “con gà” trong tiếng Pháp, mà "gallus" cũng là "gà" trong tiếng Latin), nhưng chưa có chứng cứ rõ ràng cho giả thuyết này.

Phân bố trong tự nhiên

Gallium không tồn tại ở dạng nguyên tố tự do trong tự nhiên mà luôn có mặt dưới dạng vi lượng trong các khoáng vật. Nó phổ biến nhất trong quặng bauxite (dùng để sản xuất nhôm) và sphalerite (quặng kẽm). Tuy có mặt ở nhiều nơi trên thế giới, hàm lượng gallium trong các khoáng vật thường không cao – dao động từ 10 đến 50 ppm.

Phương pháp khai thác gallium hiện đại chủ yếu là chiết xuất từ dung dịch kiềm còn lại sau quá trình tinh luyện nhôm từ bauxite. Do đó, việc sản xuất gallium phụ thuộc rất nhiều vào công nghiệp luyện nhôm. Dưới đây là bảng tóm tắt các nguồn khai thác chính:

Do nhu cầu tăng cao trong ngành công nghệ, một số quốc gia đã đưa gallium vào danh sách nguyên liệu chiến lược. Điều này khiến việc phát triển công nghệ tái chế gallium từ thiết bị điện tử đã qua sử dụng ngày càng trở nên cấp thiết.

Ứng dụng trong công nghệ bán dẫn

Gallium đóng vai trò nền tảng trong ngành công nghệ bán dẫn nhờ vào các hợp chất có khả năng dẫn điện và truyền tín hiệu nhanh hơn silicon truyền thống. Trong số đó, hai hợp chất nổi bật nhất là Gallium Arsenide (GaAs) và Gallium Nitride (GaN), mỗi loại đều có ưu điểm kỹ thuật riêng biệt phục vụ các lĩnh vực điện tử cao cấp.

Gallium Arsenide (GaAs) có độ linh động điện tử cao, cho phép truyền tín hiệu nhanh hơn silicon. Nó được sử dụng phổ biến trong các linh kiện RF (radio frequency), điện thoại di động, radar, bộ khuếch đại vi ba, và các tế bào quang điện hiệu suất cao trong vệ tinh và máy bay không người lái. GaAs còn có đặc tính chống nhiễu cao, giúp cải thiện độ ổn định tín hiệu trong các hệ thống truyền thông không dây.

Gallium Nitride (GaN) là vật liệu bán dẫn băng rộng, có thể hoạt động ổn định ở điện áp cao, nhiệt độ cao, và tần số cao. Điều này giúp GaN trở thành lựa chọn lý tưởng cho các thiết bị điện tử công suất cao như bộ sạc nhanh, nguồn xung chuyển mạch, và bộ khuếch đại trong các trạm gốc 5G. GaN cũng được sử dụng trong công nghệ đèn LED trắng hiện đại do khả năng phát ánh sáng xanh lam hiệu quả khi được kích thích.

• Ưu điểm của GaAs:
  • Tốc độ chuyển mạch cao
  • Chống nhiễu tốt
  • Hiệu suất điện-quang cao
• Ưu điểm của GaN:
  • Chịu nhiệt tốt
  • Chịu điện áp cao
  • Hiệu suất năng lượng vượt trội

Đọc thêm tài liệu chuyên sâu từ tạp chí Nature tại Nature – Gallium Nitride Power Devices.

Gallium trong y học

Gallium cũng được nghiên cứu và ứng dụng trong lĩnh vực y học, đặc biệt là trong chẩn đoán hình ảnh và điều trị ung thư. Một số dẫn xuất của gallium có khả năng ức chế sự phát triển của tế bào ung thư bằng cách tương tác với quá trình chuyển hóa sắt – một yếu tố sống còn trong hoạt động của tế bào khối u.

Gallium nitrate (Ga(NO3)3) từng được sử dụng trong điều trị u lympho không Hodgkin và tăng calci huyết liên quan đến ung thư. Tuy nhiên, việc sử dụng thuốc này bị hạn chế do tác dụng phụ và cạnh tranh từ các liệu pháp hiện đại hơn.

Trong lĩnh vực chẩn đoán hình ảnh, Gallium-68 là một đồng vị phóng xạ phát positron (PET) được sử dụng rộng rãi để chẩn đoán ung thư tuyến tiền liệt, u thần kinh nội tiết và viêm nhiễm mạn tính. Đồng vị này có thời gian bán rã ngắn (khoảng 68 phút), cho phép thu được hình ảnh phân giải cao mà không gây phơi nhiễm phóng xạ kéo dài.

Xem chi tiết nghiên cứu tại NIH – Gallium in Cancer Diagnosis.

An toàn và độc tính

Gallium nguyên chất không được coi là độc hại đối với con người và môi trường nếu sử dụng đúng cách. Nó không bay hơi ở nhiệt độ thường và không tạo khí độc khi tiếp xúc với không khí. Tuy nhiên, gallium có thể ăn mòn một số kim loại như nhôm khi tiếp xúc trực tiếp, làm suy yếu kết cấu cơ học nghiêm trọng.

Một số hợp chất của gallium, đặc biệt là ở dạng dung dịch hoặc khí (ví dụ GaCl3, GaH3), có thể gây kích ứng da, mắt và đường hô hấp. Tiếp xúc lâu dài với gallium oxide dạng hạt mịn cũng có thể gây tổn thương phổi. Do đó, trong môi trường phòng thí nghiệm hoặc sản xuất công nghiệp, cần tuân thủ nghiêm ngặt các biện pháp an toàn:

• Sử dụng găng tay, khẩu trang lọc bụi và kính bảo hộ
• Làm việc trong buồng hút khí
• Không để gallium tiếp xúc với nhôm hoặc hợp kim nhôm

Tiêu chuẩn tiếp xúc nghề nghiệp với gallium chưa được quy định rõ ràng ở nhiều quốc gia, nhưng một số hướng dẫn từ OSHA và NIOSH khuyến cáo kiểm soát phơi nhiễm ở mức dưới 0.1 mg/m³ cho dạng hơi hoặc hạt mịn.

Tác động môi trường và tái chế

Vì gallium chủ yếu được sản xuất như sản phẩm phụ từ luyện nhôm hoặc kẽm, nên quá trình khai thác không tạo ra các mỏ gallium riêng biệt. Điều này giúp giảm thiểu tác động môi trường so với khai thác kim loại hiếm khác. Tuy nhiên, việc sử dụng gallium trong các thiết bị điện tử nhỏ, khó thu gom, đã đặt ra thách thức lớn về tái chế.

Các thiết bị chứa gallium thường ở dạng vi mô – như chip GaN, diode laser, hoặc pin mặt trời màng mỏng – khiến quá trình thu hồi rất khó khăn và tốn kém. Hiện nay, các công nghệ tái chế mới đang được phát triển để chiết xuất gallium hiệu quả hơn từ rác thải điện tử, đặc biệt thông qua phương pháp hòa tách và hấp phụ ion chọn lọc.

Chi tiết nghiên cứu và chiến lược phát triển tái chế gallium có thể xem tại European Commission – Gallium Critical Raw Materials.

Tiềm năng phát triển trong tương lai

Gallium được kỳ vọng sẽ trở thành một nguyên tố chiến lược trong kỷ nguyên chuyển đổi số và năng lượng sạch. Với nhu cầu tăng mạnh từ ngành viễn thông 5G, điện tử công suất cao, và công nghệ LED, nhu cầu gallium sẽ tiếp tục gia tăng nhanh chóng trong thập kỷ tới.

Các chính phủ và tập đoàn công nghệ đang đầu tư mạnh vào chuỗi cung ứng gallium – từ khai thác, chế biến đến tái chế. Trung Quốc hiện là quốc gia dẫn đầu về sản lượng gallium, khiến nhiều nước phương Tây phải xây dựng chiến lược dự trữ và phát triển nguồn cung nội địa.

Gallium cũng được nghiên cứu trong các công nghệ tiên tiến như máy tính lượng tử, cảm biến sinh học, và vật liệu siêu dẫn. Trong bối cảnh biến đổi khí hậu và yêu cầu tiết kiệm năng lượng, vật liệu bán dẫn băng rộng như GaN – với gallium là thành phần chính – sẽ đóng vai trò quyết định trong sự phát triển bền vững của công nghệ toàn cầu.

Kết luận

Gallium không chỉ là một nguyên tố hiếm với tính chất độc đáo mà còn là nhân tố then chốt trong nhiều ngành công nghiệp tiên tiến. Từ linh kiện bán dẫn, thiết bị y tế, đến năng lượng tái tạo, gallium đang chứng tỏ tầm quan trọng ngày càng lớn. Việc khai thác hiệu quả, sử dụng bền vững và tái chế gallium sẽ là yếu tố sống còn trong tương lai công nghệ và môi trường toàn cầu.