Il gallio è un raro elemento bianco argenteo che può tirare fuori uno dei trucchi da salotto più belli della tavola periodica . A temperatura ambiente, il gallio è un solido metallico lucido che ricorda l'alluminio puro. Ma tienilo tra le mani per qualche minuto e questo solido pezzo di metallo inizia a sciogliersi.
Sì, il punto di fusione del gallio è di soli 85,6 gradi F (29,8 gradi C), il che significa che si scioglie in una pozzanghera a specchio nella tua piccola mano calda. Nella sua forma liquida, il gallio assomiglia molto al mercurio, ma il gallio non è tossico come il mercurio, quindi è più sicuro da maneggiare (anche se può macchiare la pelle).
Ma il gallio è molto più che foraggio per video YouTube che si sciolgono in mano. È anche un ingrediente chiave nelle luci a LED e il materiale semiconduttore ideale per i potenti microchip del tuo smartphone. L'unica cosa che impedisce al gallio di conquistare il mondo dell'elettronica è che è molto raro e molto costoso rispetto al silicio.
Mendeleev predisse l'esistenza del gallio
Il gallio puro non esiste in natura nella sua forma elementare brillante. Deve essere estratto da minerali come la bauxite attraverso un processo chimico in più fasi. Secondo l'US Geological Survey , l'abbondanza di gallio nella crosta terrestre è di appena 19 parti per milione (il silicio, in confronto, è 282.000 parti per milione). La prima persona a isolare e riconoscere il gallio come nuovo elemento fu il chimico francese Paul-Emile Lecoq de Boisbaudran nel 1875. Lo chiamò gallio dal nome latino della Francia, "Gallia".
Ma quattro anni prima della scoperta di Boisbaudran, il famoso chimico russo Dmitri Mendeleev predisse l'esistenza del gallio . Mendeleev, noto come il "padre della tavola periodica", vide che c'era un vuoto nella tavola dopo l'alluminio, quindi ipotizzò che un elemento mancante che chiamò "eka-alluminio" avrebbe condiviso molte delle proprietà dell'alluminio, ma con una diversa struttura atomica.
Mendeleev aveva ragione, ma non avrebbe potuto prevedere come le qualità insolite del gallio - a metà tra un metallo e un non metallo - lo avrebbero reso ideale per l'elettronica moderna.
Un elemento con una crisi di identità
Ecco un altro fatto interessante e un po' bizzarro sul gallio: mentre si scioglie a soli 85,6 gradi F (29,8 gradi C), non bolle fino a raggiungere una temperatura rovente di 3.999 gradi F (2.204 gradi C). Ciò fa guadagnare al gallio il premio per il mantenimento della fase liquida più lunga di qualsiasi elemento . Ma perché succede?
"Il gallio è confuso", afferma Daniel Mindiola , professore di chimica all'Università della Pennsylvania che abbiamo raggiunto attraverso l' American Chemical Society . "Si scioglie a bassa temperatura, che è coerente con un elemento leggero, ma bolle a una temperatura molto alta, che è coerente con un elemento molto pesante. Il gallio non sa se vuole essere un metallo o un non metallo. "
La doppia personalità del gallio deriva da dove si trova sulla tavola periodica tra due gruppi chiamati "metalloidi" e "metalli post-transizione". Il gallio è il prossimo in linea dopo l'alluminio, ma i suoi atomi sono molto più "indipendenti" della sua lamina lucida (capito?) e l'alluminio è più "elettropositivo", dice Mindiola, una caratteristica dei veri metalli.
Come il silicio, il gallio è un buon conduttore di elettricità, ma non eccezionale. Questo è ciò che rende entrambi questi metalloidi i primi candidati per i semiconduttori, dove il flusso di elettricità deve essere controllato.
"Il gallio è in realtà il materiale semiconduttore ideale, persino migliore del silicio", afferma Mindiola. "Il problema è che è raro, quindi è costoso."
Utilizzando gli attuali processi di produzione, un wafer di arseniuro di gallio, il materiale semiconduttore a base di gallio più popolare, è circa 1.000 volte più costoso di un wafer di silicio.
C'è del gallio nei tuoi gadget
Anche se il gallio è molto più costoso del silicio, è diventato un popolare materiale semiconduttore nelle ultime generazioni di smartphone. Gli smartphone comunicano con le reti dati cellulari utilizzando chip a radiofrequenza (RF) e i chip RF realizzati con arseniuro di gallio emettono meno calore del silicio e possono funzionare a bande di frequenza più elevate, un requisito per le reti 5G. Secondo l'USGS, poco più del 70 percento di tutto il gallio consumato negli Stati Uniti viene utilizzato per realizzare chip RF e altri tipi di circuiti integrati .
Ma una delle applicazioni più interessanti del gallio è nei diodi a emissione di luce (LED), che ora sono utilizzati in tutto, dai display dei computer ai semafori ai fari delle auto di lusso. I LED sono così popolari perché sono super efficienti e convertono l'elettricità direttamente in luce. I primi LED a luce visibile sono stati inventati nei primi anni '60, quando i ricercatori della General Electric hanno scoperto le proprietà uniche dei diodi realizzati con varie leghe di gallio (combinazioni di gallio, arsenico, azoto, fosforo e altri elementi).
In un diodo, gli elettroni si muovono attraverso due strati di materiale semiconduttore, uno con carica positiva e l'altro con carica negativa. Poiché gli elettroni liberi dal lato negativo riempiono i "buchi" nel lato positivo, emettono un fotone di luce come sottoprodotto . Gli scienziati hanno scoperto che diverse leghe di gallio emettono fotoni di diverse frequenze di luce visibile. L'arseniuro di gallio e il fosfuro di gallio producono luce rossa, arancione e gialla, mentre il nitruro di gallio produce luce blu.
"Basta applicare una corrente a un LED e si illumina come un albero di Natale", afferma Mindiola.
Non solo i LED producono luce quando sono collegati all'elettricità, ma il processo può essere invertito. Anche i diodi speciali all'interno delle celle solari sono realizzati con semiconduttori a base di gallio. Prendono la luce in entrata e la separano in elettroni liberi e "buchi", generando una tensione che può essere salvata in una batteria sotto forma di elettricità.
Altri usi ingegnosi del gallio
"Anche la medicina sta iniziando a utilizzare il gallio per rilevare e trattare alcuni tipi di cancro", afferma Mindiola. "Il gallio-67 è attratto dalle cellule che si replicano più velocemente del normale, che è ciò che accade in un tumore".
Il gallio-67 è un isotopo radioattivo del gallio che emette raggi gamma non tossici. I radiologi possono scansionare l'intero corpo di un paziente alla ricerca di tumori o infiammazioni dovute a un'infezione iniettando gallio-67 nel flusso sanguigno. Poiché il gallio-67 si lega a gruppi di cellule in rapida crescita, quei potenziali punti problematici verranno visualizzati su una scansione PET o su qualsiasi altra scansione sensibile ai raggi gamma. Il nitrato di gallio ha anche dimostrato efficacia nel ridurre e uccidere alcuni tipi di tumori , non solo nel rilevarli.
L'industria aerospaziale è stata calda per decenni con il gallio. Tutti i pannelli solari di fascia alta che alimentano i satelliti e le navicelle spaziali a lungo raggio sono realizzati con arseniuro di gallio, compresi i pannelli solari critici sui Mars Exploration Rovers . Al massimo delle prestazioni, le celle solari a base di gallio sui rover su Marte potrebbero produrre 900 wattora di energia al giorno marziano.
Ora è fantastico
Quando si combinano quantità precise di gallio, indio e stagno, si ottiene una lega metallica che si scioglie effettivamente a -2,2 gradi F (-19 gradi C). Questo metallo liquido, noto con il nome commerciale Galistan, è un sostituto non tossico del mercurio nei termometri.
