Gallium ist ein seltenes, silbrig-weißes Element, das einen der coolsten Salontricks im Periodensystem ausführen kann . Gallium ist bei Raumtemperatur ein metallisch glänzender Feststoff, der reinem Aluminium ähnelt. Aber halten Sie es ein paar Minuten in Ihren Händen und dieses massive Stück Metall beginnt zu schmelzen.
Ja, der Schmelzpunkt von Gallium beträgt nur 29,8 °C, was bedeutet, dass es in Ihrer heißen kleinen Hand zu einer spiegelähnlichen Pfütze schmilzt. In seiner flüssigen Form sieht Gallium sehr nach Quecksilber aus, aber Gallium ist nicht giftig wie Quecksilber, sodass es sicherer zu handhaben ist (obwohl es Ihre Haut verfärben kann).
Aber Gallium ist so viel mehr als nur Futter für YouTube-Videos zum Schmelzen in der Hand. Es ist auch ein wichtiger Bestandteil von LED-Leuchten und das bevorzugte Halbleitermaterial für die leistungsstarken Mikrochips in Ihrem Smartphone. Das einzige, was Gallium davon abhält, die Welt der Elektronik zu erobern, ist, dass es im Vergleich zu Silizium sehr selten und sehr teuer ist.
Mendelejew sagte die Existenz von Gallium voraus
Reines Gallium existiert in seiner glänzenden elementaren Form in der Natur nicht. Es muss durch einen mehrstufigen chemischen Prozess aus Mineralien wie Bauxit gewonnen werden. Nach Angaben des US Geological Survey beträgt die Menge an Gallium in der Erdkruste mickrige 19 Teile pro Million (Silizium zum Vergleich: 282.000 Teile pro Million). Der erste Mensch, der Gallium isoliert und als neues Element erkannt hat, war der französische Chemiker Paul-Emile Lecoq de Boisbaudran im Jahr 1875. Er nannte es Gallium nach dem lateinischen Namen für Frankreich "Gallia".
Aber vier Jahre vor Boisbaudrans Entdeckung sagte der berühmte russische Chemiker Dmitri Mendelejew die Existenz von Gallium voraus . Mendelejew, bekannt als "Vater des Periodensystems", sah, dass es nach Aluminium eine Lücke in der Tabelle gab, also postulierte er, dass ein fehlendes Element, das er "Eka-Aluminium" nannte, viele der Eigenschaften von Aluminium teilen würde, aber mit eine andere Atomstruktur.
Mendelejew hatte Recht, aber er konnte nicht vorhersagen, wie die ungewöhnlichen Eigenschaften von Gallium – irgendwo zwischen einem Metall und einem Nichtmetall – es ideal für die moderne Elektronik machen würden.
Ein Element mit einer Identitätskrise
Hier ist eine weitere coole und etwas bizarre Tatsache über Gallium: Während es bei nur 85,6 ° F (29,8 ° C) schmilzt, kocht es erst bei sengenden 3.999 ° F (2.204 ° C). Das bringt Gallium die Auszeichnung für die Aufrechterhaltung der längsten flüssigen Phase aller Elemente ein . Aber warum passiert das?
"Gallium ist verwirrt", sagt Daniel Mindiola , ein Chemieprofessor an der University of Pennsylvania, den wir über die American Chemical Society erreicht haben . „Es schmilzt bei einer niedrigen Temperatur, was einem leichten Element entspricht, aber es siedet bei einer sehr hohen Temperatur, was einem sehr schweren Element entspricht. Gallium weiß nicht, ob es ein Metall oder ein Nichtmetall sein will. "
Galliums duale Persönlichkeit stammt von seiner Position im Periodensystem zwischen zwei Gruppen, die als "Metalloide" und "Post-Übergangsmetalle" bezeichnet werden. Gallium ist nach Aluminium der nächste in der Reihe, aber seine Atome sind viel "unabhängiger" als seine glänzende Folie (verstehst du?) und Aluminium ist "elektropositiv", sagt Miniola, ein Merkmal echter Metalle.
Wie Silizium ist Gallium ein guter Stromleiter, aber kein großartiger. Das macht diese beiden Metalloide zu idealen Kandidaten für Halbleiter, bei denen der Stromfluss kontrolliert werden muss.
„Gallium ist eigentlich das ideale halbleitende Material, sogar besser als Silizium“, sagt Miniola. "Das Problem ist, dass es selten ist, also ist es teuer."
Ein Wafer aus Galliumarsenid, dem gängigsten Halbleitermaterial auf Galliumbasis, ist nach heutigen Herstellungsverfahren rund 1.000 Mal teurer als ein Siliziumwafer.
In Ihren Gadgets steckt Gallium
Obwohl Gallium viel teurer ist als Silizium, ist es in den neuesten Smartphone-Generationen zu einem beliebten Halbleitermaterial geworden. Smartphones kommunizieren mit zellularen Datennetzen über Hochfrequenz-(RF)-Chips, und HF-Chips aus Galliumarsenid geben weniger Wärme ab als Silizium und können in höheren Frequenzbändern betrieben werden, eine Voraussetzung für 5G-Netzwerke. Etwas mehr als 70 Prozent des gesamten in den USA verbrauchten Galliums werden laut USGS für die Herstellung von HF-Chips und anderen Arten von integrierten Schaltkreisen verwendet .
Eine der coolsten Anwendungen von Gallium sind jedoch Leuchtdioden (LEDs), die heute in allen Bereichen von Computerdisplays über Ampeln bis hin zu Luxusautoscheinwerfern verwendet werden. LEDs sind so beliebt, weil sie supereffizient sind und Strom direkt in Licht umwandeln. Die ersten LEDs für sichtbares Licht wurden in den frühen 1960er Jahren erfunden, als Forscher von General Electric die einzigartigen Eigenschaften von Dioden aus verschiedenen Galliumlegierungen (Kombinationen aus Gallium, Arsen, Stickstoff, Phosphor und anderen Elementen) entdeckten.
In einer Diode bewegen sich Elektronen durch zwei Schichten aus Halbleitermaterial, eine mit positiver und die andere mit negativer Ladung. Da freie Elektronen von der negativen Seite "Löcher" auf der positiven Seite füllen, emittieren sie als Nebenprodukt ein Lichtphoton . Wissenschaftler haben herausgefunden, dass verschiedene Galliumlegierungen Photonen mit unterschiedlichen Frequenzen des sichtbaren Lichts emittieren. Galliumarsenid und Galliumphosphid erzeugen rotes, oranges und gelbes Licht, während Galliumnitrid blaues Licht erzeugt.
„Einfach Strom an eine LED anlegen und sie leuchtet wie ein Weihnachtsbaum“, sagt Mindiola.
LEDs erzeugen nicht nur Licht, wenn sie an Strom angeschlossen werden, sondern der Vorgang kann auch umgekehrt werden. Auch die speziellen Dioden im Inneren von Solarzellen bestehen aus galliumbasierten Halbleitern. Sie nehmen einfallendes Licht auf und teilen es in freie Elektronen und "Löcher" auf, wodurch eine Spannung erzeugt wird, die in einer Batterie als Elektrizität gespeichert werden kann.
Andere raffinierte Verwendungen von Gallium
„Auch die Medizin verwendet Gallium zunehmend, um bestimmte Krebsarten zu erkennen und zu behandeln“, sagt Mindiola. "Gallium-67 wird von Zellen angezogen, die sich schneller als normal replizieren, was bei einem Tumor der Fall ist."
Gallium-67 ist ein radioaktives Isotop von Gallium, das ungiftige Gammastrahlen aussendet. Radiologen können den gesamten Körper eines Patienten auf Tumore oder Entzündungen aufgrund einer Infektion untersuchen, indem sie Gallium-67 in ihren Blutkreislauf injizieren. Da Gallium-67 an Klumpen schnell wachsender Zellen bindet, werden diese potenziellen Problemstellen bei einem PET-Scan oder jedem anderen Scan, der für Gammastrahlen empfindlich ist, sichtbar. Galliumnitrat hat sich auch beim Schrumpfen und Abtöten bestimmter Tumorarten als wirksam erwiesen , nicht nur bei der Erkennung.
Die Luft- und Raumfahrtindustrie ist seit Jahrzehnten heiß auf Gallium. Alle High-End-Solarmodule, die Satelliten und Langstrecken-Raumschiffe mit Energie versorgen, werden aus Galliumarsenid hergestellt, einschließlich der kritischen Solarmodule der Mars Exploration Rovers . Bei Spitzenleistung könnten die auf Gallium basierenden Solarzellen der Mars-Rover 900 Wattstunden Energie pro Marstag produzieren.
Das ist jetzt cool
Wenn Sie genaue Mengen an Gallium, Indium und Zinn kombinieren, erhalten Sie eine metallische Legierung, die tatsächlich bei -19 °C schmilzt. Dieses flüssige Metall, bekannt unter dem Markennamen Galistan, ist ein ungiftiger Ersatz für Quecksilber in Thermometern.
