แกลเลียมเป็นของหายากองค์ประกอบสีขาวเงินที่สามารถดึงออกหนึ่งในcoolest เทคนิคห้องนั่งเล่นในตารางธาตุ ที่อุณหภูมิห้อง แกลเลียมเป็นของแข็งที่เป็นโลหะมันวาวซึ่งคล้ายกับอะลูมิเนียมบริสุทธิ์ แต่ถือไว้ในมือของคุณสักครู่แล้วโลหะก้อนนี้เริ่มละลาย
ใช่ จุดหลอมเหลวของแกลเลียมอยู่ที่ 85.6 องศาฟาเรนไฮต์ (29.8 องศาเซลเซียส) ซึ่งหมายความว่ามันละลายเป็นแอ่งน้ำเหมือนกระจกในมือตัวน้อยของคุณ ในรูปของเหลว แกลเลียมดูเหมือนปรอทมาก แต่แกลเลียมไม่เป็นพิษเหมือนปรอท ดังนั้นจึงปลอดภัยกว่าในการจัดการ (แม้ว่าจะทำให้ผิวหนังเปื้อนได้)
แต่แกลเลียมเป็นมากกว่าอาหารสัตว์สำหรับวิดีโอ YouTube ที่หลอมละลายอยู่ในมือ นอกจากนี้ยังเป็นส่วนประกอบหลักในหลอดไฟ LED และวัสดุเซมิคอนดักเตอร์สำหรับไมโครชิปอันทรงพลังในสมาร์ทโฟนของคุณ สิ่งเดียวที่หยุดแกลเลียมจากการครอบครองโลกอิเล็กทรอนิกส์ก็คือมันหายากมากและมีราคาแพงมากเมื่อเทียบกับซิลิกอน
Mendeleev ทำนายการมีอยู่ของแกลเลียม
แกลเลียมบริสุทธิ์ไม่มีอยู่ในธรรมชาติในรูปแบบองค์ประกอบที่เป็นประกาย จำเป็นต้องสกัดจากแร่ธาตุเช่นบอกไซต์ผ่านกระบวนการทางเคมีหลายขั้นตอนจากการสำรวจทางธรณีวิทยาของสหรัฐฯ พบว่าแกลเลียมในเปลือกโลกมีปริมาณมากอยู่ที่ 19 ส่วนต่อล้านส่วน (โดยการเปรียบเทียบคือซิลิกอน 282,000 ส่วนต่อล้าน) คนแรกที่แยกและรู้จักแกลเลียมเป็นองค์ประกอบใหม่คือนักเคมีชาวฝรั่งเศส Paul-Emile Lecoq de Boisbaudran ในปี 1875 เขาตั้งชื่อมันว่าแกลเลียมตามชื่อภาษาละตินของฝรั่งเศสว่า "กัลเลีย"
แต่สี่ปีก่อนการค้นพบ Boisbaudran ของที่มีชื่อเสียงของรัสเซียเคมี Dmitri Mendeleev คาดการณ์การดำรงอยู่ของแกลเลียม Mendeleev หรือที่รู้จักในนาม "บิดาแห่งตารางธาตุ" เห็นว่ามีช่องว่างในตารางหลังอลูมิเนียม ดังนั้นเขาจึงตั้งสมมติฐานว่าธาตุที่ขาดหายไปที่เขาเรียกว่า "eka-aluminum" จะมีคุณสมบัติหลายอย่างร่วมกันของอลูมิเนียม แต่ด้วย โครงสร้างอะตอมที่แตกต่างกัน
Mendeleev พูดถูก แต่เขาไม่สามารถคาดเดาได้ว่าคุณสมบัติที่ผิดปกติของแกลเลียม - ระหว่างโลหะกับอโลหะ - จะทำให้เหมาะสำหรับอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์สมัยใหม่ได้อย่างไร
องค์ประกอบที่มีวิกฤตเอกลักษณ์
นี่เป็นอีกข้อเท็จจริงที่น่าสนใจและค่อนข้างแปลกประหลาดเกี่ยวกับแกลเลียม: ในขณะที่ละลายที่อุณหภูมิเพียง 85.6 องศาฟาเรนไฮต์ (29.8 องศาเซลเซียส) แต่ก็ไม่เดือดจนอุณหภูมิแผดเผา 3,999 องศาฟาเรนไฮต์ (2,204 องศาเซลเซียส) ที่แสวงหาแกลเลียมรางวัลสำหรับการรักษาของเหลวที่ยาวที่สุดขององค์ประกอบใด ๆ แต่ทำไมถึงเกิดขึ้น?
“แกลเลียมสับสน” แดเนียล มินดิโอลา ศาสตราจารย์ด้านเคมีแห่งมหาวิทยาลัยเพนซิลเวเนีย ซึ่งเราติดต่อผ่านสมาคมเคมีแห่งอเมริกากล่าว "มันละลายที่อุณหภูมิต่ำซึ่งสอดคล้องกับธาตุแสง แต่จะเดือดที่อุณหภูมิสูงมากซึ่งสอดคล้องกับธาตุที่หนักมาก แกลเลียมไม่ทราบว่าต้องการเป็นโลหะหรืออโลหะ "
บุคลิกภาพแบบคู่ของแกลเลียมเกิดจากตำแหน่งที่อยู่บนโต๊ะธาตุระหว่างสองกลุ่มที่เรียกว่า "เมทัลลอยด์" และ "โลหะหลังการเปลี่ยนแปลง" แกลเลียมอยู่ในแนวเดียวกันกับอะลูมิเนียม แต่อะตอมของมันมีความ "อิสระ" มากกว่าฟอยล์ที่เป็นมันเงา (เข้าใจไหม) และอลูมิเนียมนั้น "ขั้วไฟฟ้า" มากกว่า Mindiola ซึ่งเป็นลักษณะของโลหะจริงกล่าว
เช่นเดียวกับซิลิคอน แกลเลียมเป็นตัวนำไฟฟ้าที่ดี แต่ก็ไม่ใช่ตัวนำไฟฟ้าที่ดี นั่นคือสิ่งที่ทำให้ทั้งโลหะลอยด์เหล่านี้เป็นตัวเลือกหลักสำหรับเซมิคอนดักเตอร์ ซึ่งจำเป็นต้องควบคุมการไหลของไฟฟ้า
"แกลเลียมเป็นวัสดุกึ่งตัวนำในอุดมคติจริงๆ ดีกว่าซิลิคอน" Mindiola กล่าว "ปัญหาคือมันหายากจึงมีราคาแพง"
การใช้กระบวนการผลิตในปัจจุบัน เวเฟอร์ของแกลเลียม อาร์เซไนด์ ซึ่งเป็นวัสดุเซมิคอนดักเตอร์ที่มีแกลเลียมที่ได้รับความนิยมมากที่สุดมีราคาแพงกว่าแผ่นเวเฟอร์ซิลิกอนประมาณ1,000 เท่า
มีแกลเลียมอยู่ในแกดเจ็ตของคุณ
แม้ว่าแกลเลียมจะมีราคาแพงกว่าซิลิคอนมาก แต่ก็กลายเป็นวัสดุเซมิคอนดักเตอร์ยอดนิยมในสมาร์ทโฟนรุ่นล่าสุด สมาร์ทโฟนสื่อสารกับเครือข่ายข้อมูลเซลลูลาร์โดยใช้ชิปความถี่วิทยุ (RF) และชิป RF ที่ทำจากแกลเลียมอาร์เซไนด์ให้ความร้อนน้อยกว่าซิลิคอนและสามารถทำงานได้ที่ย่านความถี่สูงกว่า ซึ่งเป็นข้อกำหนดสำหรับเครือข่าย 5G USGSระบุว่ามากกว่า 70% ของแกลเลียมทั้งหมดที่ใช้ในสหรัฐฯ ถูกใช้เพื่อผลิตชิป RF และวงจรรวมประเภทอื่นๆ
แต่หนึ่งในแอปพลิเคชั่นที่ยอดเยี่ยมที่สุดของแกลเลียมคือไดโอดเปล่งแสง (LED) ซึ่งตอนนี้ใช้ในทุกอย่างตั้งแต่จอคอมพิวเตอร์ไปจนถึงสัญญาณไฟจราจรไปจนถึงไฟหน้ารถหรู LED เป็นที่นิยมมากเพราะมีประสิทธิภาพสูงสุด โดยแปลงไฟฟ้าเป็นแสงโดยตรง LED แสงที่มองเห็นได้ดวงแรกถูกประดิษฐ์ขึ้นในช่วงต้นทศวรรษ 1960เมื่อนักวิจัยจาก General Electric ค้นพบคุณสมบัติเฉพาะของไดโอดที่ทำจากโลหะผสมแกลเลียมต่างๆ (การรวมกันของแกลเลียม สารหนู ไนโตรเจน ฟอสฟอรัส และองค์ประกอบอื่นๆ)
ในไดโอด อิเล็กตรอนเคลื่อนที่ผ่านวัสดุเซมิคอนดักเตอร์ 2 ชั้น ชั้นหนึ่งมีประจุบวกและอีกชั้นมีประจุลบ ในฐานะที่เป็นอิเล็กตรอนอิสระจากเชิงลบด้านการเติม "หลุม" ในด้านบวกที่พวกเขาปล่อยโฟตอนของแสงเป็นผลพลอยได้ นักวิทยาศาสตร์ได้ค้นพบว่าโลหะผสมแกลเลียมที่แตกต่างกันปล่อยโฟตอนที่มีความถี่แสงที่มองเห็นต่างกัน แกลเลียมอาร์เซไนด์และแกลเลียมฟอสไฟด์ผลิตแสงสีแดง ส้ม และเหลือง ในขณะที่แกลเลียมไนไตรด์ให้แสงสีน้ำเงิน
"เพียงแค่ใช้กระแสไฟกับ LED และมันจะสว่างขึ้นเหมือนต้นคริสต์มาส" Mindiola กล่าว
LED ไม่เพียงแต่ผลิตแสงเมื่อเชื่อมต่อกับไฟฟ้า แต่กระบวนการนี้สามารถย้อนกลับได้ ไดโอดพิเศษภายในเซลล์แสงอาทิตย์ยังทำจากสารกึ่งตัวนำที่มีแกลเลียม พวกเขานำแสงที่เข้ามาและแยกออกเป็นอิเล็กตรอนอิสระและ "รู" ซึ่งสร้างแรงดันไฟฟ้าที่สามารถบันทึกลงในแบตเตอรี่เป็นไฟฟ้าได้
การใช้แกลเลียมที่มีประโยชน์อื่น ๆ
"ยาเริ่มใช้แกลเลียมเช่นกันในการตรวจหาและรักษามะเร็งบางชนิด" Mindiola กล่าว "แกลเลียม-67 ดึงดูดเซลล์ที่ทำซ้ำได้เร็วกว่าปกติ ซึ่งเป็นสิ่งที่เกิดขึ้นกับเนื้องอก"
แกลเลียม-67 เป็นไอโซโทปกัมมันตภาพรังสีของแกลเลียมที่ปล่อยรังสีแกมมาที่ไม่เป็นพิษ นักรังสีวิทยาสามารถสแกนร่างกายของผู้ป่วยทั้งหมดเพื่อหาเนื้องอกหรือการอักเสบจากการติดเชื้อโดยการฉีดแกลเลียม-67 เข้าสู่กระแสเลือด เนื่องจากแกลเลียม-67 จับกับกลุ่มเซลล์ที่เติบโตอย่างรวดเร็ว จุดปัญหาที่อาจเกิดขึ้นเหล่านั้นจึงปรากฏในการสแกนด้วย PET หรือการสแกนอื่นๆ ที่ไวต่อรังสีแกมมา แกลเลียมไนเตรตยังแสดงให้เห็นประสิทธิภาพในการหดตัวและฆ่าเนื้องอกบางชนิดไม่ใช่แค่การตรวจหาเท่านั้น
อุตสาหกรรมการบินและอวกาศได้รับความสนใจจากแกลเลียมมานานหลายทศวรรษ แผงเซลล์แสงอาทิตย์ระดับไฮเอนด์ทั้งหมดที่จ่ายไฟให้กับดาวเทียมและยานอวกาศระยะไกลนั้นทำด้วยแกลเลียม อาร์เซไนด์ ซึ่งรวมถึงแผงโซลาร์เซลล์ที่สำคัญของยานสำรวจดาวอังคารด้วย ที่ประสิทธิภาพสูงสุด เซลล์แสงอาทิตย์ที่ใช้แกลเลียมบนยานสำรวจดาวอังคารสามารถผลิตพลังงานได้ 900 วัตต์-ชั่วโมงต่อวันบนดาวอังคาร
ตอนนี้มันเจ๋ง
เมื่อคุณรวมแกลเลียม อินเดียม และดีบุกในปริมาณที่พอเหมาะ คุณจะได้โลหะผสมที่ละลายได้จริงที่อุณหภูมิ -2.2 องศาฟาเรนไฮต์ (-19 องศาเซลเซียส) โลหะเหลวนี้รู้จักกันในชื่อแบรนด์ Galistan เป็นสารทดแทนปรอทในเทอร์โมมิเตอร์ที่ไม่เป็นพิษ
