Gallium koger ved 4.044 grader F, men vil også smelte i din hånd

Gallium er et sjældent, sølvfarvet hvidt grundstof, der kan udføre et af de fedeste salontricks i det periodiske system. Ved stuetemperatur er gallium et skinnende metallisk fast stof, der ligner rent aluminium. Men hold den i dine hænder i et par minutter, og denne solide metalstump begynder at smelte.

Ja, smeltepunktet for gallium er kun 85,6 grader F (29,8 grader C), hvilket betyder, at det smelter til en spejllignende vandpyt i din varme lille hånd. I sin flydende form ligner gallium meget kviksølv, men gallium er ikke giftigt som kviksølv, så det er mere sikkert at håndtere (selvom det kan plette din hud).

Men gallium er så meget mere end foder til YouTube-videoer, der smelter i hånden. Det er også en nøgleingrediens i LED-lys og det foretrukne halvledermateriale til de kraftige mikrochips i din smartphone. Det eneste, der forhindrer gallium i at overtage elektronikverdenen, er, at det er meget sjældent og meget dyrt sammenlignet med silicium.

1. Mendeleev forudsagde eksistensen af ​​gallium
2. Et element med en identitetskrise
3. Der er gallium i dine gadgets
4. Andre smarte anvendelser af gallium

Mendeleev forudsagde eksistensen af ​​gallium

Ren gallium eksisterer ikke i sin skinnende elementære form i naturen. Det skal udvindes fra mineraler som bauxit gennem en kemisk proces i flere trin. Ifølge U.S. Geological Survey er forekomsten af ​​gallium i jordskorpen sølle 19 ppm (til sammenligning er silicium 282.000 ppm). Den første person, der isolerede og genkendte gallium som et nyt grundstof, var den franske kemiker Paul-Emile Lecoq de Boisbaudran i 1875. Han kaldte det gallium efter det latinske navn for Frankrig, "Gallia."

Men fire år før Boisbaudrans opdagelse forudsagde den berømte russiske kemiker Dmitri Mendeleev galliums eksistens. Mendeleev, kendt som "faderen til det periodiske system", så, at der var et hul i tabellen efter aluminium, så han påstod, at et manglende grundstof, han kaldte "eka-aluminium", ville dele mange af aluminiums egenskaber, men med en anden atomstruktur.

Mendeleev havde ret, men han kunne ikke have forudset, hvordan galliums usædvanlige kvaliteter - et sted mellem et metal og et ikke-metal - ville gøre det ideelt til moderne elektronik.

Et element med en identitetskrise

Her er en anden cool og noget bizar kendsgerning om gallium:Selvom det smelter ved kun 85,6 grader F (29,8 grader C), koger det ikke før en brændende 3.999 grader F (2.204 grader C). Det giver gallium prisen for at opretholde den længste væskefase af ethvert grundstof. Men hvorfor sker det?

"Gallium er forvirret," siger Daniel Mindiola, en kemiprofessor ved University of Pennsylvania, som vi nåede gennem American Chemical Society. "Det smelter ved en lav temperatur, som er i overensstemmelse med et let grundstof, men det koger ved en meget høj temperatur, hvilket stemmer overens med et meget tungt grundstof. Gallium ved ikke, om det vil være et metal eller et ikke-metal. "

Galliums dobbelte personlighed stammer fra hvor det sidder i det periodiske system blandt to grupper kaldet "metalloider" og "post-transition metaller." Gallium er næste i rækken efter aluminium, men dets atomer er langt mere "uafhængige" end dets skinnende folie (forstå det?), og aluminium er mere "elektropositivt," siger Mindiola, et træk ved ægte metaller.

Ligesom silicium er gallium en god leder af elektricitet, men ikke en stor. Det er det, der gør begge disse metalloider til de primære kandidater til halvledere, hvor strømmen af ​​elektricitet skal kontrolleres.

"Gallium er faktisk det ideelle halvledende materiale, endda bedre end silicium," siger Mindiola. "Problemet er, at det er sjældent, så det er dyrt."

Ved at bruge de nuværende fremstillingsprocesser er en wafer af galliumarsenid, det mest populære galliumbaserede halvledermateriale, omkring 1.000 gange dyrere end en siliciumwafer.

Der er gallium i dine gadgets

Selvom gallium er meget dyrere end silicium, er det blevet et populært halvledermateriale i de seneste generationer af smartphones. Smartphones kommunikerer med cellulære datanetværk ved hjælp af radiofrekvenschips (RF), og RF-chips lavet med galliumarsenid afgiver mindre varme end silicium og kan fungere ved højere frekvensbånd, et krav til 5G-netværk. Lidt mere end 70 procent af alt det gallium, der forbruges i USA, bruges til at lave RF-chips og andre typer integrerede kredsløb, ifølge USGS.

Men en af ​​de fedeste anvendelser af gallium er i lysdioder (LED'er), som nu bruges i alt fra computerskærme til trafiklys til luksusbillygter. LED'er er så populære, fordi de er supereffektive og omdanner elektricitet direkte til lys. De første lysdioder med synligt lys blev opfundet i begyndelsen af ​​1960'erne, da forskere hos General Electric opdagede de unikke egenskaber ved dioder lavet med forskellige galliumlegeringer (kombinationer af gallium, arsen, nitrogen, fosfor og andre grundstoffer).

I en diode bevæger elektroner sig gennem to lag af halvledermateriale, det ene med en positiv ladning og det andet med en negativ. Når frie elektroner fra den negative side udfylder "huller" i den positive side, udsender de en foton af lys som et biprodukt. Forskere har opdaget, at forskellige galliumlegeringer udsender fotoner med forskellige synlige lysfrekvenser. Galliumarsenid og galliumphosphid producerer rødt, orange og gult lys, mens galliumnitrid producerer blåt lys.

"Bare tilfør en strøm til en LED, og ​​den lyser op som et juletræ," siger Mindiola.

LED'er producerer ikke kun lys, når de er tilsluttet elektricitet, men processen kan vendes. De specielle dioder inde i solceller er også lavet af galliumbaserede halvledere. De tager indkommende lys og adskiller det i frie elektroner og "huller", der genererer spænding, der kan gemmes i et batteri som elektricitet.

Andre smarte anvendelser af gallium

"Medicin er også begyndt at bruge gallium til at opdage og behandle visse typer kræft," siger Mindiola. "Gallium-67 tiltrækkes af celler, der replikerer hurtigere end normalt, hvilket er det, der sker i en tumor."

Gallium-67 er en radioaktiv isotop af gallium, der udsender ugiftige gammastråler. Radiologer kan scanne hele en patients krop for tumorer eller betændelse fra en infektion ved at injicere gallium-67 i blodbanen. Da gallium-67 binder sig til klumper af hurtigtvoksende celler, vil disse potentielle problemer dukke op på en PET-scanning eller enhver anden scanning, der er følsom over for gammastråler. Galliumnitrat har også vist effektivitet i at skrumpe og dræbe visse typer tumorer, ikke kun at opdage dem.

Luftfartsindustrien har været varm på gallium i årtier. Alle de avancerede solpaneler, der driver satellitter og langtrækkende rumfartøjer, er lavet med galliumarsenid, inklusive de kritiske solpaneler på Mars Exploration Rovers. Ved maksimal ydeevne kunne de galliumbaserede solceller på Mars-roverne producere 900 watt-timers energi pr. Mars-dag.

Nu er det fedt

Når du kombinerer præcise mængder af gallium, indium og tin, får du en metallisk legering, der faktisk smelter ved -2,2 grader F (-19 grader C). Dette flydende metal, kendt under sit varemærke Galistan, er en ikke-giftig erstatning for kviksølv i termometre.

Ofte besvarede spørgsmål

Er gallium sjældent eller almindeligt?

Gallium er et relativt sjældent grundstof, med en overflod på omkring 19 ppm i jordens kontinentale skorpe.