O gálio é um elemento branco prateado raro que pode realizar um dos truques de salão mais legais da tabela periódica . Em temperatura ambiente, o gálio é um sólido metálico brilhante que se assemelha ao alumínio puro. Mas segure-o em suas mãos por alguns minutos e esse pedaço sólido de metal começa a derreter.
Sim, o ponto de fusão do gálio é de apenas 29,8 graus C (85,6 graus F), o que significa que ele se derrete em uma poça espelhada em sua mãozinha quente. Em sua forma líquida, o gálio se parece muito com o mercúrio, mas não é tóxico como o mercúrio, por isso é mais seguro de manusear (embora possa manchar a pele).
Mas o gálio é muito mais do que forragem para vídeos do YouTube que derretem na mão. É também um ingrediente importante nas luzes LED e no material semicondutor essencial para os poderosos microchips em seu smartphone. A única coisa que impede o gálio de dominar o mundo da eletrônica é que ele é muito raro e muito caro em comparação com o silício.
Mendeleev previu a existência do gálio
O gálio puro não existe em sua forma elementar brilhante na natureza. Ele precisa ser extraído de minerais como a bauxita por meio de um processo químico de várias etapas. De acordo com o US Geological Survey , a abundância de gálio na crosta terrestre é de apenas 19 partes por milhão (o silício, em comparação, é de 282.000 partes por milhão). A primeira pessoa a isolar e reconhecer o gálio como um novo elemento foi o químico francês Paul-Emile Lecoq de Boisbaudran em 1875. Ele o chamou de gálio em homenagem ao nome latino para a França, "Gallia".
Mas quatro anos antes da descoberta de Boisbaudran, o famoso químico russo Dmitri Mendeleev previu a existência do gálio . Mendeleev, conhecido como o "pai da tabela periódica", viu que havia uma lacuna na tabela após o alumínio, então ele postulou que um elemento ausente que ele chamou de "eka-alumínio" compartilharia muitas das propriedades do alumínio, mas com uma estrutura atômica diferente.
Mendeleev estava certo, mas ele não poderia ter previsto como as qualidades incomuns do gálio - algo entre um metal e um não metal - o tornariam ideal para a eletrônica moderna.
Um elemento com uma crise de identidade
Aqui está outro fato legal e um tanto bizarro sobre o gálio: embora derreta a apenas 85,6 graus F (29,8 graus C), ele não ferve até escaldantes 3.999 graus F (2.204 graus C). Isso dá ao gálio o prêmio por manter a fase líquida mais longa de qualquer elemento . Mas por que isso acontece?
"O gálio está confuso", diz Daniel Mindiola , professor de química da Universidade da Pensilvânia que contatamos por meio da American Chemical Society . “Ele derrete a baixa temperatura, o que é consistente com um elemento leve, mas ferve a uma temperatura muito alta, o que é consistente com um elemento muito pesado. O gálio não sabe se quer ser um metal ou um não metal. "
A dupla personalidade do Gálio se origina de sua posição na tabela periódica entre dois grupos chamados de "metalóides" e "metais pós-transição". O gálio é o próximo na linha depois do alumínio, mas seus átomos são muito mais "independentes" do que sua folha brilhante (entendeu?) E o alumínio é mais "eletropositivo", diz Mindiola, uma característica dos metais verdadeiros.
Como o silício, o gálio é um bom condutor de eletricidade, mas não muito bom. Isso é o que torna esses dois metalóides candidatos primários para semicondutores, onde o fluxo de eletricidade precisa ser controlado.
“O gálio é na verdade o material semicondutor ideal, ainda melhor do que o silício”, diz Mindiola. "O problema é que é raro, por isso é caro."
Usando os processos de fabricação atuais, um wafer de arsenieto de gálio, o material semicondutor à base de gálio mais popular, é cerca de 1.000 vezes mais caro do que um wafer de silício.
Há gálio em seus gadgets
Embora o gálio seja muito mais caro do que o silício, ele se tornou um material semicondutor popular nas últimas gerações de smartphones. Os smartphones se comunicam com redes de dados celulares usando chips de radiofrequência (RF), e os chips de RF feitos com arseneto de gálio emitem menos calor do que o silício e podem operar em bandas de frequência mais altas, um requisito para redes 5G. Um pouco mais de 70 por cento de todo o gálio consumido nos EUA é usado para fazer chips de RF e outros tipos de circuitos integrados, de acordo com o USGS .
Mas uma das aplicações mais interessantes do gálio é em diodos emissores de luz (LEDs), que agora são usados em tudo, desde telas de computador a semáforos e faróis de carros luxuosos. Os LEDs são tão populares porque são supereficientes, convertendo eletricidade diretamente em luz. Os primeiros LEDs de luz visível foram inventados no início dos anos 1960, quando pesquisadores da General Electric descobriram as propriedades exclusivas dos diodos feitos com várias ligas de gálio (combinações de gálio, arsênico, nitrogênio, fósforo e outros elementos).
Em um diodo, os elétrons se movem através de duas camadas de material semicondutor, uma com carga positiva e outra com carga negativa. Conforme os elétrons livres do lado negativo preenchem "buracos" no lado positivo, eles emitem um fóton de luz como subproduto . Os cientistas descobriram que diferentes ligas de gálio emitem fótons de diferentes frequências de luz visível. O arseneto de gálio e o fosfeto de gálio produzem luz vermelha, laranja e amarela, enquanto o nitreto de gálio produz luz azul.
“Basta aplicar uma corrente em um LED e ele acende como uma árvore de Natal”, diz Mindiola.
Não apenas os LEDs produzem luz quando conectados à eletricidade, mas o processo pode ser revertido. Os diodos especiais dentro das células solares também são feitos de semicondutores à base de gálio. Eles pegam a luz que entra e a separam em elétrons livres e "buracos", gerando voltagem que pode ser economizada em uma bateria como eletricidade.
Outros usos bacanas do gálio
“A medicina está começando a usar o gálio também para detectar e tratar certos tipos de câncer”, diz Mindiola. "Gálio-67 é atraído por células que se replicam mais rápido do que o normal, que é o que acontece em um tumor."
O gálio-67 é um isótopo radioativo do gálio que emite raios gama não tóxicos. Os radiologistas podem escanear todo o corpo do paciente em busca de tumores ou inflamação de uma infecção, injetando gálio-67 em sua corrente sanguínea. Como o gálio-67 se liga a aglomerados de células de crescimento rápido, esses potenciais pontos problemáticos aparecerão em uma varredura PET ou em qualquer outra varredura que seja sensível aos raios gama. O nitrato de gálio também demonstrou eficácia em reduzir e matar certos tipos de tumores , não apenas em detectá-los.
A indústria aeroespacial tem consumido muito gálio há décadas. Todos os painéis solares de última geração que alimentam satélites e espaçonaves de longo alcance são feitos com arsenieto de gálio, incluindo os painéis solares essenciais dos Rovers de Exploração de Marte . No desempenho máximo, as células solares à base de gálio nos rovers de Marte poderiam produzir 900 watts-hora de energia por dia marciano.
Agora isso é legal
Quando você combina quantidades precisas de gálio, índio e estanho, obtém uma liga metálica que realmente derrete a -2,2 graus F (-19 graus C). Este metal líquido, conhecido por sua marca Galistan, é um substituto atóxico para o mercúrio em termômetros.
