對(duì)比門(mén)捷列夫的推測(cè)與鎵元素的實(shí)際性質(zhì)，我們不難看出實(shí)驗(yàn)結(jié)果與預(yù)期的驚人相符。布瓦邦德朗在后來(lái)發(fā)表的一篇論文中寫(xiě)到：“我認(rèn)為沒(méi)有必要再來(lái)說(shuō)明門(mén)捷列夫先生這一理論的偉大意義了?！?/section>
實(shí)際上，當(dāng)門(mén)捷列夫于1869年剛發(fā)布他總結(jié)的元素周期表時(shí)，并沒(méi)有立刻引起包括布瓦邦德朗在內(nèi)的西方學(xué)術(shù)界的足夠重視。因?yàn)槟莻€(gè)時(shí)期宣稱(chēng)發(fā)現(xiàn)元素周期律的不止門(mén)捷列夫一人，化學(xué)家們已經(jīng)厭倦了形形色色、層出不窮的分類(lèi)體系。
然而，鎵的發(fā)現(xiàn)對(duì)元素周期表的重要性起到了關(guān)鍵的證實(shí)作用，也把門(mén)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(shí)期，恩格斯正在撰寫(xiě)《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(duì)元素周期律的創(chuàng)建給與了高度評(píng)價(jià)。他認(rèn)為，這項(xiàng)勛業(yè)與天文學(xué)家勒維耶利用天王星運(yùn)行數(shù)據(jù)來(lái)準(zhǔn)確預(yù)測(cè)海王星的存在和軌道一樣偉大。
稀有而分散
相對(duì)于其他金屬元素，鎵被發(fā)現(xiàn)的時(shí)間較晚，這可能與其是分散元素，無(wú)單獨(dú)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(kāi)采卻遠(yuǎn)比鉛和鈷困難。鎵在礦石中的含量通常不超過(guò)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(shí)可達(dá)接近1%的重量比）。中國(guó)是產(chǎn)煤大國(guó)，如何讓粉煤灰變廢為寶，實(shí)現(xiàn)高效利用，也是我國(guó)資源綜合利用面臨的重要問(wèn)題。隨著鎵消費(fèi)量的不斷增長(zhǎng)以及鎵應(yīng)用領(lǐng)域的拓展，金屬鎵的重要性也被越來(lái)越多的國(guó)家注意到。我國(guó)已經(jīng)于2011年將鎵列為戰(zhàn)略?xún)?chǔ)備金屬，開(kāi)始重視對(duì)鎵的戰(zhàn)略?xún)?chǔ)備。而美國(guó)、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(fèi)領(lǐng)域是在半導(dǎo)體行業(yè)，約占總消費(fèi)量的80%。主要集中在光電材料、太陽(yáng)能電池、磁性材料等。其中，銅銦鎵硒（CIGS）薄膜太陽(yáng)能電池被稱(chēng)為第三代太陽(yáng)能電池，目前光電轉(zhuǎn)換效率可超過(guò)15%，是有助于緩解能源危機(jī)的新型光伏器件。而氮化鎵（GaN）更被譽(yù)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(yáng)能電池可以制作成便攜的柔性器件（圖源：wikipedia）
2014年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)授予來(lái)自三名來(lái)自美國(guó)和日本的科學(xué)家，以表彰他們發(fā)明了藍(lán)色發(fā)光二極管（LED）技術(shù)。藍(lán)光LED器件中包含幾種不同的GaN層，技術(shù)實(shí)現(xiàn)的難點(diǎn)也在于高質(zhì)量GaN晶體的生長(zhǎng)。藍(lán)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(jī)，電視和廣場(chǎng)大屏幕中都有應(yīng)用，它所耗費(fèi)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(zhǎng)的時(shí)代，具有格外重要的意義。
3 mm 藍(lán)色LED（圖源：jolliFactory）
5G網(wǎng)絡(luò)是一次通訊技術(shù)飛躍，在當(dāng)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(wú)線(xiàn)傳輸速率，5G 通訊采用毫米波，這對(duì)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(yùn)行，是目前最有希望的用于5G基站功率放大器芯片的材料。隨著手機(jī)電池容量的不斷增加，大功率的快充變得越來(lái)越重要。在這方面，GaN也為消費(fèi)者帶來(lái)一些清晰可見(jiàn)的改變。比如，Anker的30 W GaN充電器已經(jīng)成功投放到市場(chǎng)，因?yàn)椴捎昧藖?lái)自Power Integration的GaN芯片，其體積比蘋(píng)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(shí)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^(guò)《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(shí)世界中我們當(dāng)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(yùn)》中全新進(jìn)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(guò)電場(chǎng)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(qiáng)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(jī)器的基本要素。可以說(shuō)，假如人類(lèi)想要一種可以極其精細(xì)地改變復(fù)雜形狀與移動(dòng)軌跡的材料，那么液態(tài)金屬是目前最佳的選擇。
最常見(jiàn)的液態(tài)金屬是汞（Hg），但汞沸點(diǎn)低容易揮發(fā)，且汞蒸汽有劇毒，使用起來(lái)必須小心翼翼。相比之下，鎵在實(shí)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(diǎn)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(huì)因體溫而變?yōu)橐簯B(tài)。離開(kāi)手心，它又將再次固化。而且，鎵的沸點(diǎn)高達(dá)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(dān)心金屬蒸汽揮發(fā)的風(fēng)險(xiǎn)。
一個(gè)經(jīng)典的魔術(shù)利用了鎵低熔點(diǎn)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(huì)神奇般的融化。
在液態(tài)金屬的研究中，中國(guó)正成為該領(lǐng)域的領(lǐng)跑者。例如，清華大學(xué)和中科院理化技術(shù)研究所的研究團(tuán)隊(duì)合作，在液態(tài)金屬領(lǐng)域取得了許多開(kāi)創(chuàng)性成果。他們通過(guò)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(dú)特的概念型功能物和柔性機(jī)器模型。比如：可進(jìn)行熱響應(yīng)而自由變形的軟體章魚(yú)、可以溫控定向蠕動(dòng)的軟體動(dòng)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(yùn)動(dòng)的非接線(xiàn)機(jī)器人，甚至可模擬整個(gè)人形/動(dòng)物形狀或其局部臉型變化。這些突破都開(kāi)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(jī)器人離我們的現(xiàn)實(shí)生活又近了一步。
鎵元素因其獨(dú)特性質(zhì)成為眾多領(lǐng)域的研究前沿和熱點(diǎn)。它在為我們生活帶來(lái)驚喜和變革的同時(shí)，也賦予人們神奇的遐想。伴隨著科學(xué)的進(jìn)步，也許終有一天現(xiàn)實(shí)與科幻之間的藩籬將被打破。只不過(guò)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(gè)更加美好和光明的世界。
參考資料
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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(shí)代提高射頻前端和無(wú)線(xiàn)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.
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10. 柔性可變形智能機(jī)器人？有戲！：http://it.people.com.cn/n1/2019/0218/c1009-30759768.html
