Gallium (Ga) là gì? Tính chất, Nguồn gốc và Ứng dụng Công nghệ cao

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, màn hình LED, đến pin mặt trời và thuốc điều trị ung thư, Gallium đang âm thầm thúc đẩy cuộc cách mạng công nghệ.

Bài viết sau trong chuyên mục Kiến thức chuyên môn sẽ giúp bạn hiểu rõ hơn về Gallium: đặc tính vật lý, ứng dụng công nghiệp, nguồn cung và những thách thức trong tương lai.

---

Gallium (Ga) là gì?

Gallium (Ga) là một nguyên tố hóa học, kim loại mềm, màu bạc trắng với số nguyên tử 31. Đặc điểm nổi bật nhất của nó là điểm nóng chảy cực thấp (chỉ 29.76°C), cho phép nó tan chảy trong lòng bàn tay người và khiến nó trở nên “ma thuật” trong mắt nhiều người.

Gallium là một nguyên tố hóa học có ký hiệu Ga, số nguyên tử 31, thuộc nhóm kim loại hậu chuyển tiếp trong bảng tuần hoàn hóa học. Được phát hiện năm 1875 bởi nhà hóa học người Pháp Paul-Émile Lecoq de Boisbaudran, Gallium nhanh chóng gây chú ý vì điểm nóng chảy rất thấp: chỉ 29.76°C, thấp hơn cả nhiệt độ cơ thể người. Nó có chung một số đặc điểm với các nguyên tố cùng nhóm khác như Indium (In) và Thallium (Tl).

Chính đặc điểm này khiến Gallium trở thành một trong những kim loại có nhiệt độ nóng chảy thấp nhất, chỉ sau thủy ngân.

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

Gallium không tồn tại tự do trong tự nhiên (ở dạng đơn chất) mà thường được chiết xuất dưới dạng hợp chất từ quặng khác, và nó đóng vai trò quan trọng trong các ngành công nghệ cao nhờ tính chất bán dẫn vượt trội.

Tính chất vật lý và hóa học của Gallium

Gallium là kim loại mềm, có điểm nóng chảy 29.76°C và điểm sôi 2204°C. Nó ổn định trong không khí khô nhưng phản ứng với axit và kiềm. Đặc biệt, Gallium có khả năng thấm và làm giòn kim loại nhôm khi tiếp xúc.

Gallium có nhiều tính chất độc đáo khiến nó phù hợp cho các ứng dụng công nghệ. Dưới đây là bảng tóm tắt các tính chất chính:

Thuộc tính	Giá trị
Ký hiệu	Ga
Số nguyên tử	31
Khối lượng nguyên tử	69.723 u
Trạng thái vật chất	Kim loại
Màu sắc	Bạc trắng, hơi xanh lam
Điểm nóng chảy	29.76°C
Điểm sôi	2204°C
Trạng thái ở nhiệt độ phòng	Rắn (nhưng dễ chuyển sang lỏng)
Cấu trúc tinh thể	Orthorhombic
Mật độ	5.904 g/cm³

Tính chất đặc biệt:

Tính chất đặc biệt nhất của Gallium là không tồn tại tự do trong tự nhiên (phải chiết xuất từ quặng bauxite) và khả năng “thấm” vào nhôm, làm phá vỡ cấu trúc và gây giòn kim loại này.

• Nguồn gốc: Gallium không tồn tại ở dạng tự nhiên mà thu được từ quá trình tinh chế quặng bauxite (dùng để sản xuất nhôm) và sphalerite (quặng kẽm – Zn).
• An toàn: Không bay hơi, không nổ, không cháy – tương đối an toàn trong điều kiện thường. Tuy nhiên, cần cẩn trọng vì gallium có khả năng thấm vào nhôm (Aluminium) và làm giòn kim loại này, dẫn đến hư hỏng nếu tiếp xúc.
• Tính chất hóa học: Về hóa học, gallium ổn định trong không khí khô nhưng oxy hóa chậm trong không khí ẩm, tạo lớp màng bảo vệ. Giống như nhôm, nó cũng có thể tạo thành oxit lưỡng tính (tương tự Al2O3). Nó phản ứng với axit và kiềm, nhưng ít phản ứng với nước.

Nguồn gốc và trữ lượng Gallium

Gallium là sản phẩm phụ thu được từ quá trình tinh luyện quặng bauxite (sản xuất nhôm) và quặng kẽm. Trữ lượng toàn cầu ước tính 1 triệu tấn, nhưng sản lượng khai thác thương mại hàng năm rất thấp (chỉ khoảng 300-700 tấn), khiến nó trở thành vật liệu chiến lược.

Gallium không được khai thác trực tiếp mà là sản phẩm phụ từ quá trình tinh luyện nhôm (từ quặng bô xít) và kẽm. Trữ lượng gallium trong tự nhiên ước tính khoảng 1 triệu tấn, nhưng chỉ một phần rất nhỏ được khai thác mỗi năm (khoảng 300-700 tấn), khiến gallium được xếp vào danh sách vật liệu chiến lược.

Các quốc gia sản xuất chính:

Trung Quốc là nhà sản xuất thống trị, chiếm hơn 98% sản lượng Gallium toàn cầu (theo số liệu 2024-2025). Các quốc gia khác như Đức, Kazakhstan, và Ukraine có nhà máy tinh chế nhưng sản lượng ngày càng giảm và không đáng kể.

• Trung Quốc: Chiếm hơn 98% sản lượng gallium toàn cầu (2024-2025).
• Đức, Kazakhstan, Ukraine: Có nhà máy tinh chế gallium, nhưng sản lượng giảm dần do xung đột và kinh tế.
• Mỹ và Nhật Bản: Chủ yếu nhập khẩu, giữ vai trò tiêu thụ công nghệ, với các dự án mới như Alcoa ở Australia (đầu tư 2 tỷ USD năm 2025).

Gallium không thuộc nhóm kim loại quý hiếm về trữ lượng, nhưng hiếm trong khai thác thương mại vì yêu cầu công nghệ cao và chi phí lớn. Giá gallium tăng 32.5% năm 2025 do hạn chế xuất khẩu từ Trung Quốc.

Ứng dụng công nghiệp của Gallium

Gallium chủ yếu được dùng làm vật liệu bán dẫn hiệu suất cao như Gallium Arsenide (GaAs) và Gallium Nitride (GaN) để sản xuất chip, đèn LED, và pin mặt trời. Nó cũng có ứng dụng quan trọng trong y học để chẩn đoán và điều trị ung thư.

Đây là lý do chính khiến Gallium trở nên quan trọng chiến lược.

Chất bán dẫn và vi điện tử

Hợp chất Gallium Arsenide (GaAs) và Gallium Nitride (GaN) là các vật liệu bán dẫn quan trọng, vượt trội hơn silicon ở tần số cao và nhiệt độ cao. Chúng là nền tảng của công nghệ 5G, radar, thiết bị quân sự và bộ sạc nhanh.

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

• Gallium Arsenide (GaAs): Dùng trong chip RF, thiết bị quân sự, radar, điện thoại di động và module vệ tinh. Nó có hiệu suất cao hơn silicon ở tần số cao và nhiệt độ cao.
• Gallium Nitride (GaN): Vật liệu bán dẫn hiệu suất cao, được dùng trong bộ sạc nhanh, trạm phát 5G, thiết bị điện tử công suất lớn, và xe điện (EV). GaN chịu nhiệt tốt, giảm nhiễu, và dự báo thay thế silicon trong công suất cao từ 2030.

Lý do Gallium được ưa chuộng: Là một kim loại dẫn điện hiệu suất cao, gallium và các hợp chất của nó vượt trội hơn silicon ở tần số cao và nhiệt độ cao, đồng thời chịu nhiệt tốt và không bị nhiễu điện tử.

Pin mặt trời và LED

Hợp chất GaAs tạo ra pin mặt trời hiệu suất cực cao (30-40%), lý tưởng cho các ứng dụng không gian và vệ tinh. Trong khi đó, hợp chất GaN là nền tảng của công nghệ LED hiện đại (ánh sáng trắng, xanh), giúp tiết kiệm năng lượng tới 75%.

• Pin mặt trời: GaAs là vật liệu chế tạo pin mặt trời hiệu suất cao, đặc biệt trong công nghệ không gian và vệ tinh, với hiệu suất lên đến 30-40% so với silicon (15-20%). Nó kháng nhiệt và ẩm tốt hơn, phù hợp cho môi trường khắc nghiệt. Nhu cầu này dự kiến tăng cùng xu hướng năng lượng tái tạo.
• Công nghệ LED: Gallium Nitride (GaN) là nền tảng tạo ra ánh sáng trắng, xanh dương và tím – giúp tạo nên LED chiếu sáng hiện đại, tiết kiệm năng lượng lên đến 75% so với bóng đèn truyền thống.

Y học và dược phẩm

Trong y học, đồng vị phóng xạ Ga-67 được dùng để chụp “Gallium scan” nhằm phát hiện các ổ ung thư và viêm nhiễm trong cơ thể. Ngoài ra, hợp chất Gallium nitrate cũng được dùng để điều trị rối loạn xương và một số loại ung thư.

• Chẩn đoán: Hợp chất Gallium scan (Ga-67) dùng để phát hiện ung thư, nhiễm trùng hoặc viêm. Bằng cách tiêm đồng vị phóng xạ gallium, bác sĩ có thể xác định các tế bào phân chia nhanh (tế bào ung thư) qua hình ảnh.
• Điều trị: Gallium nitrate và gallium citrate được nghiên cứu trong điều trị ung thư, viêm nhiễm và rối loạn xương. Các hợp chất gallium có đặc tính kháng khuẩn, kháng viêm, dùng trong điều trị đa u tủy, ung thư tuyến tiền liệt và bệnh xương yếu.

Lưu ý: Chỉ sử dụng dưới hướng dẫn bác sĩ, vì có thể gây tác dụng phụ như mệt mỏi hoặc ảnh hưởng thận. (Thông tin này không thay thế lời khuyên y tế chuyên nghiệp).

Ưu điểm và nhược điểm của Gallium

Ưu điểm chính của Gallium là hiệu suất bán dẫn vượt trội và tính an toàn (khi ở dạng nguyên tố). Nhược điểm lớn nhất là giá thành sản xuất cao, rủi ro về nguồn cung (phụ thuộc lớn vào Trung Quốc) và khả năng ăn mòn, làm giòn nhôm.

Ưu điểm:

Gallium không độc hại ở dạng nguyên tố, có tính dẫn điện và dẫn nhiệt vượt trội cho ngành bán dẫn (hợp chất GaN tiết kiệm 20-30% năng lượng), ổn định trong điều kiện thường và có thể tái chế nhiều lần.

• An toàn: Không độc hại khi ở dạng nguyên tố, an toàn xử lý (nhưng tránh nuốt). Ít độc hại hơn nhiều so với các kim loại nặng khác như Thủy ngân (Mercury) hay Chì (Pb).
• Hiệu suất cao: Có tính dẫn điện, dẫn nhiệt tốt, hiệu suất vượt trội trong bán dẫn (GaN tiết kiệm năng lượng 20-30% so với silicon).
• Ổn định: Ổn định trong điều kiện thường, ít phản ứng với không khí.
• Bền vững: Có thể tái chế nhiều lần mà không mất tính chất, hỗ trợ kinh tế tuần hoàn.

Nhược điểm:

Nhược điểm chí mạng của Gallium là khả năng làm hỏng, giòn gãy kim loại nhôm. Ngoài ra, nguồn cung của nó không ổn định (phụ thuộc vào ngành nhôm/kẽm và địa chính trị toàn cầu) và chi phí tinh luyện rất cao.

• Ăn mòn nhôm: Khó bảo quản vì có thể làm hỏng nhôm (gây giòn hóa).
• Nguồn cung: Cung ứng phụ thuộc vào ngành nhôm (như sản xuất phèn nhôm) và kẽm. Điều này gây rủi ro địa chính trị lớn, đặc biệt là sự phụ thuộc vào Trung Quốc.
• Giá thành: Giá thành cao do chi phí tinh luyện lớn và sự khan hiếm tương đối trong khai thác (giá tăng 32.5% năm 2025).
• Độc tính (dạng hợp chất): Trong y học, liều cao các hợp chất gallium có thể gây độc (cần kiểm soát y tế chặt chẽ).

Kết luận

Gallium là một kim loại chiến lược, thiết yếu cho công nghệ bán dẫn (GaN, GaAs) và năng lượng xanh. Dù tồn tại nhiều rủi ro về nguồn cung và chi phí sản xuất, vai trò của nó trong tương lai công nghệ cao và y học hiện đại là không thể thay thế.

Gallium là một trong những nguyên tố kim loại “bí ẩn” nhưng thiết yếu của thời đại công nghệ số. Với điểm nóng chảy thấp độc đáo, khả năng dẫn điện tốt và hiệu suất vượt trội trong các thiết bị vi điện tử (GaN, GaAs), gallium đóng vai trò không thể thiếu trong cuộc cách mạng bán dẫn và năng lượng xanh. Tuy còn tồn tại những rủi ro về nguồn cung và chi phí sản xuất, nhưng gallium vẫn là một phần quan trọng trong tương lai công nghệ cao và y học hiện đại.