El galio es un elemento blanco plateado raro que puede realizar uno de los trucos de salón más geniales de la tabla periódica . A temperatura ambiente, el galio es un sólido metálico brillante que se asemeja al aluminio puro. Pero manténgalo en sus manos durante unos minutos y este sólido trozo de metal comienza a derretirse.
Sí, el punto de fusión del galio es de solo 85,6 grados F (29,8 grados C), lo que significa que se derrite en un charco parecido a un espejo en tu pequeña mano caliente. En su forma líquida, el galio se parece mucho al mercurio, pero el galio no es tóxico como el mercurio, por lo que es más seguro de manipular (aunque puede manchar la piel).
Pero el galio es mucho más que alimento para los videos de YouTube que se derriten en la mano. También es un ingrediente clave en las luces LED y el material semiconductor de referencia para los potentes microchips de su teléfono inteligente. Lo único que impide que el galio se apodere del mundo de la electrónica es que es muy raro y muy caro en comparación con el silicio.
Mendeleev predijo la existencia de galio
El galio puro no existe en su forma elemental brillante en la naturaleza. Debe extraerse de minerales como la bauxita mediante un proceso químico de varios pasos. Según el Servicio Geológico de los Estados Unidos , la abundancia de galio en la corteza terrestre es de 19 partes por millón (el silicio, en comparación, es de 282.000 partes por millón). La primera persona en aislar y reconocer el galio como un nuevo elemento fue el químico francés Paul-Emile Lecoq de Boisbaudran en 1875. Lo nombró galio por el nombre latino de Francia, "Gallia".
Pero cuatro años antes del descubrimiento de Boisbaudran, el famoso químico ruso Dmitri Mendeleev predijo la existencia del galio . Mendeleev, conocido como el "padre de la tabla periódica", vio que había un espacio en la tabla después del aluminio, por lo que postuló que un elemento faltante al que llamó "eka-aluminium" compartiría muchas de las propiedades del aluminio, pero con una estructura atómica diferente.
Mendeleev tenía razón, pero no podía haber predicho cómo las cualidades inusuales del galio, en algún lugar entre un metal y un no metal, lo harían ideal para la electrónica moderna.
Un elemento con crisis de identidad
Aquí hay otro hecho interesante y algo extraño sobre el galio: si bien se derrite a solo 85.6 grados F (29.8 grados C), no hierve hasta los 3.999 grados F (2.204 grados C). Eso gana el premio al galio por mantener la fase líquida más larga de cualquier elemento . Pero, ¿por qué sucede eso?
"El galio es confuso", dice Daniel Mindiola , profesor de química en la Universidad de Pensilvania a quien contactamos a través de la Sociedad Química Estadounidense . “Se derrite a baja temperatura, lo que es consistente con un elemento ligero, pero hierve a una temperatura muy alta, lo cual es consistente con un elemento muy pesado. El galio no sabe si quiere ser un metal o un no metal. "
La personalidad dual del galio proviene de su ubicación en la tabla periódica entre dos grupos llamados "metaloides" y "metales de postransición". El galio es el siguiente en la línea después del aluminio, pero sus átomos son mucho más "independientes" que su hoja brillante (¿entiendes?) Y el aluminio es más "electropositivo", dice Mindiola, un rasgo de los metales verdaderos.
Como el silicio, el galio es un buen conductor de electricidad, pero no muy bueno. Eso es lo que hace que estos dos metaloides sean los principales candidatos para semiconductores, donde es necesario controlar el flujo de electricidad.
"El galio es en realidad el material semiconductor ideal, incluso mejor que el silicio", dice Mindiola. "El problema es que es raro, por lo que es caro".
Utilizando los procesos de fabricación actuales, una oblea de arseniuro de galio, el material semiconductor a base de galio más popular, es aproximadamente 1.000 veces más cara que una oblea de silicio.
Hay galio en tus gadgets
Aunque el galio es mucho más caro que el silicio, se ha convertido en un material semiconductor popular en las últimas generaciones de teléfonos inteligentes. Los teléfonos inteligentes se comunican con redes de datos celulares utilizando chips de radiofrecuencia (RF), y los chips de RF fabricados con arseniuro de galio emiten menos calor que el silicio y pueden operar en bandas de frecuencia más altas, un requisito para las redes 5G. Un poco más del 70 por ciento de todo el galio consumido en los EE. UU. Se usa para fabricar chips de RF y otros tipos de circuitos integrados, según el USGS .
Pero una de las aplicaciones más interesantes del galio son los diodos emisores de luz (LED), que ahora se utilizan en todo, desde pantallas de computadora hasta semáforos y faros de automóviles de lujo. Los LED son tan populares porque son súper eficientes y convierten la electricidad directamente en luz. Los primeros LED de luz visible se inventaron a principios de la década de 1960 cuando los investigadores de General Electric descubrieron las propiedades únicas de los diodos fabricados con varias aleaciones de galio (combinaciones de galio, arsénico, nitrógeno, fósforo y otros elementos).
En un diodo, los electrones se mueven a través de dos capas de material semiconductor, una con carga positiva y la otra con carga negativa. A medida que los electrones libres del lado negativo llenan los "huecos" del lado positivo, emiten un fotón de luz como subproducto . Los científicos han descubierto que diferentes aleaciones de galio emiten fotones de diferentes frecuencias de luz visible. El arseniuro de galio y el fosfuro de galio producen luz roja, naranja y amarilla, mientras que el nitruro de galio produce luz azul.
"Simplemente aplique una corriente a un LED y se iluminará como un árbol de Navidad", dice Mindiola.
Los LED no solo producen luz cuando se conectan a la electricidad, sino que el proceso se puede revertir. Los diodos especiales dentro de las células solares también están hechos de semiconductores a base de galio. Toman la luz entrante y la separan en electrones libres y "agujeros", generando voltaje que se puede guardar en una batería como electricidad.
Otros usos ingeniosos del galio
"La medicina también está comenzando a usar galio para detectar y tratar ciertos tipos de cánceres", dice Mindiola. "El galio-67 es atraído por las células que se replican más rápido de lo normal, que es lo que sucede en un tumor".
El galio-67 es un isótopo radiactivo del galio que emite rayos gamma no tóxicos. Los radiólogos pueden escanear todo el cuerpo de un paciente en busca de tumores o inflamación de una infección inyectando galio-67 en el torrente sanguíneo. Dado que el galio-67 se une a grupos de células de rápido crecimiento, esos posibles puntos problemáticos aparecerán en una tomografía por emisión de positrones o en cualquier otra exploración que sea sensible a los rayos gamma. El nitrato de galio también ha demostrado su eficacia para reducir y matar ciertos tipos de tumores , no solo para detectarlos.
La industria aeroespacial ha estado caliente con el galio durante décadas. Todos los paneles solares de alta gama que alimentan los satélites y las naves espaciales de largo alcance están hechos con arseniuro de galio, incluidos los paneles solares críticos de los Mars Exploration Rovers . Con un rendimiento máximo, las células solares a base de galio de los rovers de Marte podrían producir 900 vatios-hora de energía por día marciano.
Ahora eso es genial
Cuando combina cantidades precisas de galio, indio y estaño, obtiene una aleación metálica que en realidad se derrite a -2,2 grados F (-19 grados C). Este metal líquido, conocido por su marca Galistan, es un sustituto no tóxico del mercurio en los termómetros.
