在化學元素發現史上，鎵是第一個先根據元素周期律預言，后在實驗中被發現證實的化學元素。鎵在地殼中的含量僅為0.0015％，鎵的熔點很低（29.75℃），在手掌上就可化為液態，而且鎵還具有熱縮冷脹性能。鎵的優良特性使其廣泛應用于半導體、太陽能、液態合金、醫療化工等諸多領域。
電子工業的“脊梁”
1871年，俄國化學家門捷列夫在總結元素周期表時，認為在鋅元素后面，鋁元素下面應該還有一個未被發現的元素，其性質與鋁元素相近，他稱之為“類鋁元素”。1875年，法國化學家布瓦博德蘭從閃鋅礦中找到了這個“類鋁元素”，他以Gallia（高盧，拉丁語中對法國的稱呼）一詞將該元素命名為Gallium，元素符號定Ga，中文名為“鎵”。
在一定的條件下，鎵能與硫、硒、碲、磷、砷、銻等發生反應，從而生成鎵的系列化合物，它們都是優質的半導體材料，被廣泛應用于光電子領域和微波通信領域，被譽為是電子工業的“脊梁”。目前，消耗在半導體行業的金屬鎵資源大約占到了總消費量的80％～85％。隨著電子信息工業的發展以及鎵應用領域的拓展，金屬鎵的戰略地位也越來越凸顯。我國于2011年將鎵列為戰略儲備金屬，并開始重視對鎵的戰略儲備。
砷化鎵是繼硅半導體材料之后的又一個應用最為廣泛的半導體材料。砷化鎵的最大特點是具有很好的光電性能，即在光照或外加電場的條件下，電子激發可以釋放出光能來，并且其光發射效率也要比其他半導體材料高一些。20世紀80年代，砷化鎵被廣泛應用到微波器件、激光器和發光二極管等產品中，被人們認為是最有發展前途的半導體材料。
磷化鎵是制作半導體發光元件的又一個優質材料。20世紀70年代，科學家先后用磷化鎵作為基板開發出了可以發黃色、橙色和綠色光的發光二極管。到了80年代，砷化鋁鎵的應用導致了第一代高亮度發光二極管的誕生。到了90年代初，四元素半導體材料磷化鋁鎵銦的采用，使得發光二極管的發光效率有了很大的提高。用磷化鋁鎵銦制成的超高亮度紅色、橙色、黃色和綠色發光二極管，可以應用于戶外顯示領域。
氮化鎵是Ⅲ-Ⅴ族半導體材料中最具有希望的寬禁帶光學材料，曾于20世紀90年代初成就了藍色LED的輝煌。而藍色LED的推出，又帶來了白光LED照明的新紀元。目前，LED照明技術路線主要有三條，分別為藍寶石、碳化硅和硅襯底氮化鎵基LED技術路線。其中，前兩條技術路線分別是以日本和美國為主發展起來的，而第三條技術路線是由我國發展起來的，有力地提升了我國LED技術在國際上的地位。我國科學家研制的硅襯底高光效氮化鎵基藍色發光二極管獲得2015年度國家技術發明一等獎。
如今，氮化鎵材料的研究與應用已成為全球半導體領域的前沿和熱點，并成為研制微電子器件、光電子器件的第三代半導體材料。較寬的直接帶隙、較強的原子鍵、較高的熱導率以及較穩定的化學性，使其在光電子、高溫大功率器件以及高頻微波器件等方面有著廣闊的應用前景。
太陽能電池中的“明星”
鎵的化合物半導體材料做成的太陽能電池，可以把太陽能直接轉變成電能，并且具有比較高的效率。隨著太陽能電池材料的不斷發展，人們對太陽能電池材料提出了更高的要求。比如，半導體材料的禁帶寬度要適中，光電轉化效率要高，材料制備過程和電池使用過程中不能存在環境污染，并且材料生產要能規模化等。在這樣的背景下，薄膜太陽能電池引起了人們的重視，并成為了科技工作者的研究重點。現在，銅銦鎵硒（CIGS）薄膜太陽能電池作為多元化合物薄膜電池的重要一員，其轉化效率是所有薄膜太陽能電池中最高的。
在銅銦鎵硒薄膜太陽能電池中，通過摻入適量鎵替代部分同族的銦，并可以調節CIGS的禁帶寬度，這是CIGS材料優于硅系光伏材料的根本所在。同時，CIGS材料的吸收系數很高，還具有較大范圍的太陽光譜的響應特性。
銅銦鎵硒薄膜太陽能電池具有轉換效率高、材料來源廣、生產成本低、污染小、無光衰、弱光性能好等顯著特點，有望成為新一代有競爭力的商業化薄膜太陽能電池。
醫學領域的“奇才”
在醫療領域中，鎵合金主要是用作醫療器件和醫用材料。例如，用鎵合金作為牙齒填充材料，它是一種不含汞的牙體材料，其生物學性能明顯優于銀汞合金。在醫療診斷領域，鎵的化合物也有用武之地。例如，枸櫞酸鎵注射液可用于腫瘤和炎癥的定位診斷和鑒別診斷。
金屬鎵的熔點為29.75℃，金屬銦的熔點為156.61℃，當它們以一定的配比制成合金后，在室溫下就可以呈現液態了，因而有很好的流動性。利用鎵銦液態合金制作的新型體溫計，可作為環保型溫度計取代水銀溫度計。
2015年6月，我國科學家宣布在世界上首次應用液態金屬“縫合”了牛蛙斷裂的坐骨神經，進而刷新了人們對人體神經連接與修復難題的認知。這種液態金屬為鎵銦錫合金。鎵銦錫合金在常溫下為液態，借助注射器可以進入到神經管道中進行“搭橋”，其信號傳導效果幾乎與未受傷的神經一樣。結果，牛蛙一側坐骨神經在遭受刺激時所產生的電信號，準確無誤地傳遞到了另一側的神經。這說明鎵銦錫液態金屬搭建的神經之“橋”幾乎達到了完美的程度。這種完美的效果取決于鎵銦錫液態合金杰出的導電性能。
鎵銦錫液態合金不僅能保證斷裂的神經末梢在“搭橋”連接下的快速聯通，而且鎵銦錫液態合金性能穩定，不與體液、周圍器官組織發生反應，因此在X射線的照射下會呈現出極高的影像對比度。如果修復的神經恢復良好，那么可以把液態金屬從體內抽離出來，不留任何痕跡。
尖端領域的“新秀”
2013年12月，我國科學家引入氣流控制下的液態金屬噴墨原理，可在任意表面上繪制電路。這種液態金屬“墨水”是以金屬鎵為主要成分的合金組合，在室溫下可以自由流動。
在現代電子工業中，印刷電路板已經不是什么新鮮事兒了。然而，利用液態金屬噴墨電子打印方法來“繪制”電路可是一項十分新奇的發明。傳統的印刷電路板制作流程通常需要經過電鍍、蝕刻等工序，具有高能耗、高污染、高耗時等缺點，并且很難適應各種不同的基底表面。利用液態金屬噴墨原理進行的電子打印方式可以在各種復雜的基底表面上“繪制”出任意的電路。
更令人驚奇的是，鎵元素還被用于“液態金屬機器”的制作呢！這里的“液態金屬”通常是指熔點比較低的金屬或合金材料，鎵、鎵銦合金以及鎵銦錫合金等在室溫下呈現液態，因此都屬于“液態金屬”。2015年4月，我國科學家在實驗中發現，一個直徑約為5毫米的液態鎵金屬球，在電解液中吞食了0.012克鋁之后，能以每秒5厘米的速度前進。科學家認為，液態鎵金屬球的行為類似于自然界的簡單軟體動物的習性，能夠把“吃”進的食物轉化為能量，并且具有自主運動的能力，難怪科學家把它稱為“液態金屬軟體動物”或“液態金屬機器”。進一步的研究認為，“液態金屬機器”之所以能從鋁中獲得自主運動的能量，是因為“液態金屬”和活潑的鋁形成原電池反應，從而產生電荷的運動，繼而引起“液態金屬”表面張力的不平衡，對易于變形的“液態金屬”產生強大的推力。同時，在上述電化學反應過程中產生的氫氣也對“液態金屬”的馬達行為施加了影響。
盡管基于鎵及鎵合金的“液態金屬機器”的功能還是非常有限的，但是它帶給人們的啟示和影響卻是十分深遠的。比如，“液態金屬機器”的自主變形和運動等特性，為人們研制實用化的智能馬達、血管機器人以及流體泵送系統提供了思路和模板。隨著“液態金屬機器”的日趨完善和升級，想必會在執行高難度操作等方面取得新的突破，并有望在醫療、科研以及軍事等領域發揮巨大作用。
不斷拓展的“領地”
由于鎵具有“熱縮冷脹”的性質，因此具有比較好的鑄造性，可以用其來制造鉛字合金，這樣可使字體更加清晰。利用鎵的低熔點形成的含鎵易熔合金，可應用于電路熔斷器和各種保險裝置以及自動滅火裝置。利用鎵與銅、鎳、錫、金等成分可制成冷焊劑，以解決異型薄壁等難以焊接的難題。盡管鎵的熔點非常低，但是它的沸點卻非常高（2070℃）。利用鎵的這個特性可以用其來制造測量高溫的溫度計，用這種溫度計可以測量煉鋼爐、反應爐、原子反應堆的溫度。
在原子能工業中，鎵可以作為熱傳導物質，把反應堆中的熱量傳導出來；同時，利用鎵吸收中子的性能，可以控制中子的數目和反應速度。鎵還被用來制造陰極蒸汽燈，將碘化鎵加入到高壓水銀燈中，可以增大水銀燈的輻射強度。
高性能磁材是現代機電工業、自動化工業和半導體工業必不可少的基礎材料。在高性能磁材生產需要添加0.5‰～2‰的金屬鎵。在玻璃中添加金屬鎵可以增強玻璃的折射率，以此可以制造特種光學玻璃。用鎵鏡制作的反光鏡可以把70％以上的光反射出去。在化工領域，鎵及其化合物常被用作催化劑。例如，三氯化鎵可用作生產乙基苯、丙基苯和酮的催化劑；國外開發的一種新型鎳鎵催化劑可以把氫和二氧化碳轉化為甲醇；硝酸鎵用作石油催化劑可以提高石油的開采效益。
【責任編輯】龐云
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