Майже через 150 років після відкриття та подальшого додавання до таблиці Менделєєва галій продовжує розкривати свої секрети. Вчені з Університету Окленда нещодавно відкрили нові аспекти структури та поведінки металу.
Вперше виявлений у 1875 році французьким хіміком Полем-Емілем Лекоком де Буабодраном, галій відомий своєю низькою температурою плавлення, яка настільки низька, що ложка, виготовлена з галію, може розтопитися в чашці чаю. Цей незвичайний метал також є ключовим компонентом у виробництві напівпровідників .
Дивовижне відкриття стосується поведінки галію на атомному рівні.
На відміну від більшості металів, галій існує у формі «димерів» – пар атомів – і має меншу щільність як тверда речовина, ніж як рідина, схоже на те, як лід плаває на воді. Галій має “ковалентні зв’язки”, де атоми ділять електрони, що також є незвичним для металу.
Нове дослідження показує, що хоча ці зв’язки зникають при температурі плавлення, вони знову з’являються при вищих температурах.
Це суперечить давнім припущенням і вимагає нового пояснення низької температури плавлення галію. Дослідники припускають, що ключем може бути велике збільшення ентропії – показника безладу – коли зв’язки зникають, звільняючи атоми.
Прорив у розумінні галію
«Тридцятирічна література про структуру рідкого галію мала фундаментальне припущення, яке, очевидно, не відповідає дійсності», — каже професор Нікола Гастон з Waipapa Taumata Rau, Університет Окленда та Інститут передових матеріалів і нанотехнологій МакДіарміда.
Дослідження проводили д-р Стеф Ламбі – тепер докторський науковий співробітник Інституту дослідження твердого тіла Макса Планка в Німеччині – Гастон і д-р Кріста Стінберген з Університету Вікторії Веллінгтона та Інституту МакДіарміда.
Прорив стався завдяки тому, що Ламбі, який тоді був аспірантом університету та Інституту МакДіарміда, прискіпливо переглядав наукову літературу за попередні десятиліття та порівнював дані про температуру, щоб скласти повну картину.
Їхні висновки нещодавно були опубліковані в науковому журналі Materials Horizons .
Застосування та історичне значення галію
Розуміння точних процесів у галію, а особливо того, як він змінюється з температурою, є важливим для прогресу в нанотехнологіях, де вчені маніпулюють матерією для створення нових матеріалів. Метал використовується для розчинення інших металів, сприяючи створенню рідких металевих каталізаторів і «структур, що самозбираються», де невпорядковані матеріали спонтанно стають структурованими.
Цинкові «сніжинки» були створені шляхом кристалізації цинку в рідкому галію в попередньому проекті за участю Гастона, Ламбі та Стінбергена.
Галій був передбачений ще до його відкриття. Коли російський хімік Дмитро Менделєєв у 1871 році створив першу періодичну таблицю, упорядкувавши елементи відповідно до зростаючих атомних номерів, він залишив прогалини для відсутніх елементів, запропонованих відомими елементами.
Добутий з мінералів і гірських порід, таких як боксит, галій не зустрічається в природі в чистому вигляді. Використовується в напівпровідниках, метал також використовується в телекомунікаціях, світлодіодах і лазерних діодах, сонячних панелях, високопродуктивних обчисленнях, аерокосмічній і оборонній промисловості, а також як альтернатива ртуті в термометрах.
Інтригуюче те, що вчені, які шукають сліди минулого життя на Марсі, бачать у галію можливість запропонувати підказки як хімічний «відбиток», що зберігає сліди минулого життя мікробів. Дослідники Школи навколишнього середовища університету та Те Ао Марама – Центру фундаментальних досліджень проводять розслідування.