Галлий - это редкий серебристо-белый элемент, который может стать одним из самых крутых фокусов в периодической таблице . При комнатной температуре галлий представляет собой блестящее металлическое твердое вещество, напоминающее чистый алюминий. Но подержите его в руках несколько минут, и этот твердый кусок металла начнет плавиться.
Да, температура плавления галлия составляет всего 85,6 градусов F (29,8 градусов C), что означает, что он плавится в вашей горячей маленькой ручке, превращаясь в зеркальную лужу. В жидкой форме галлий очень похож на ртуть, но галлий не токсичен, как ртуть, поэтому с ним безопаснее обращаться (хотя он может испачкать кожу).
Но галлий - это гораздо больше, чем просто корм для видео на YouTube, которые тают в ваших руках. Это также ключевой ингредиент в светодиодных лампах и полупроводниковом материале для мощных микрочипов в вашем смартфоне. Единственное, что мешает галлию захватить мир электроники, - это то, что он очень редкий и очень дорогой по сравнению с кремнием.
Менделеев предсказал существование галлия
Чистый галлий в своей блестящей элементарной форме не существует в природе. Его необходимо извлекать из минералов, таких как боксит, с помощью многоступенчатого химического процесса. По данным Геологической службы США , содержание галлия в земной коре составляет жалкие 19 частей на миллион (для сравнения, кремния - 282000 частей на миллион). Первым, кто выделил и признал галлий как новый элемент, был французский химик Поль-Эмиль Лекок де Буабодран в 1875 году. Он назвал его галлием в честь латинского названия Франции - «Галлия».
Но за четыре года до открытия Буабодрана знаменитый русский химик Дмитрий Менделеев предсказал существование галлия . Менделеев, известный как «отец периодической таблицы», увидел, что в таблице после алюминия есть пробел, поэтому он предположил, что недостающий элемент, который он назвал «эка-алюминий», будет обладать многими свойствами алюминия, но с другая атомная структура.
Менделеев был прав, но он не мог предсказать, как необычные свойства галлия - что-то среднее между металлом и неметаллом - сделают его идеальным для современной электроники.
Элемент кризиса идентичности
Вот еще один интересный и несколько странный факт о галлии: несмотря на то, что он плавится при температуре всего 85,6 градусов F (29,8 градусов C), он не кипит до тех пор, пока не станет палящим 3 999 градусов F (2204 градуса C). Это приносит галлию награду за сохранение самой длинной жидкой фазы любого элемента . Но почему так происходит?
«Галлий сбивает с толку», - говорит Дэниел Миндиола , профессор химии Пенсильванского университета, с которым мы связались через Американское химическое общество . «Он плавится при низкой температуре, которая соответствует легкому элементу, но кипит при очень высокой температуре, которая соответствует очень тяжелому элементу. Галлий не знает, хочет ли он быть металлом или неметаллом. "
Двойная личность галлия проистекает из того места, где он находится в периодической таблице между двумя группами, называемыми «металлоидами» и «металлами постпереходного периода». Галлий стоит на очереди после алюминия, но его атомы гораздо более «независимы», чем его блестящая фольга (понимаете?), А алюминий более «электроположителен», - говорит Миндиола, что характерно для настоящих металлов.
Как и кремний, галлий является хорошим проводником электричества, но не лучшим. Это то, что делает оба этих металлоида главными кандидатами на роль полупроводников, где поток электричества необходимо контролировать.
«Галлий на самом деле является идеальным полупроводниковым материалом, даже лучше, чем кремний», - говорит Миндиола. «Проблема в том, что это редко, поэтому стоит дорого».
При современных производственных процессах пластина из арсенида галлия, самого популярного полупроводникового материала на основе галлия, примерно в 1000 раз дороже кремниевой пластины.
В ваших гаджетах есть галлий
Хотя галлий намного дороже кремния, он стал популярным полупроводниковым материалом в смартфонах последних поколений. Смартфоны взаимодействуют с сотовыми сетями передачи данных с помощью радиочастотных (RF) чипов, а радиочастотные чипы, изготовленные из арсенида галлия, выделяют меньше тепла, чем кремний, и могут работать в более высоких частотных диапазонах, что является требованием для сетей 5G. По данным Геологической службы США, чуть более 70 процентов всего галлия, потребляемого в США, используется для производства радиочастотных чипов и других типов интегральных схем .
Но одно из самых крутых применений галлия - это светодиоды, которые сейчас используются во всем: от компьютерных дисплеев до светофоров и фар роскошных автомобилей. Светодиоды настолько популярны, потому что они суперэффективны, преобразуют электричество непосредственно в свет. Первые светодиоды видимого света были изобретены в начале 1960-х годов, когда исследователи из General Electric обнаружили уникальные свойства диодов, изготовленных из различных сплавов галлия (комбинации галлия, мышьяка, азота, фосфора и других элементов).
В диоде электроны движутся через два слоя полупроводникового материала, один с положительным зарядом, а другой с отрицательным. Когда свободные электроны с отрицательной стороны заполняют «дыры» на положительной стороне, они испускают фотон света в качестве побочного продукта . Ученые обнаружили, что разные сплавы галлия излучают фотоны с разными частотами видимого света. Арсенид галлия и фосфид галлия излучают красный, оранжевый и желтый свет, а нитрид галлия дает синий свет.
«Просто подайте ток на светодиод, и он загорится, как рождественская елка», - говорит Миндиола.
Мало того, что светодиоды излучают свет при подключении к электричеству, этот процесс можно обратить вспять. Специальные диоды внутри солнечных элементов также сделаны из полупроводников на основе галлия. Они принимают падающий свет и разделяют его на свободные электроны и «дыры», генерируя напряжение, которое можно сохранить в батарее в виде электричества.
Другие полезные способы использования галлия
«Медицина также начинает использовать галлий для обнаружения и лечения определенных видов рака», - говорит Миндиола. «Галлий-67 притягивается к клеткам, которые размножаются быстрее, чем обычно, что и происходит в опухоли».
Галлий-67 - это радиоактивный изотоп галлия, который излучает нетоксичные гамма-лучи. Радиологи могут сканировать все тело пациента на предмет опухолей или воспалений, вызванных инфекцией, вводя галлий-67 в кровоток. Поскольку галлий-67 связывается с скоплениями быстрорастущих клеток, эти потенциальные проблемные точки будут обнаружены на ПЭТ-сканировании или любом другом сканировании, чувствительном к гамма-излучению. Нитрат галлия также показал эффективность в уменьшении и уничтожении определенных типов опухолей , а не только в их обнаружении.
Аэрокосмическая промышленность десятилетиями страдает от галлия. Все высококачественные солнечные панели, которыми питаются спутники и космические корабли дальнего действия, сделаны из арсенида галлия, в том числе критически важные солнечные панели на марсоходах Mars Exploration Rover . При максимальной производительности солнечные элементы на основе галлия на марсоходах могут производить 900 ватт-часов энергии за марсианские сутки.
Теперь это круто
Когда вы объединяете точное количество галлия, индия и олова, вы получаете металлический сплав, который плавится при температуре -2,2 градуса по Фаренгейту (-19 градусов Цельсия). Этот жидкий металл, известный под торговой маркой Galistan, является нетоксичной заменой ртути в термометрах.
