Галлий - редкий серебристо-белый элемент, который может провернуть один из самых крутых салонных трюков 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 по Фаренгейту (29,8 градусов по Цельсию), а это значит, что он плавится в зеркальной луже в вашей горячей маленькой руке. В своей жидкой форме галлий очень похож на ртуть, но галлий не токсичен, как ртуть, поэтому с ним безопаснее обращаться (хотя он может оставить пятна на коже).
Но галлий - это гораздо больше, чем просто фураж для тянущихся к рукам видеороликов на YouTube. Он также является ключевым компонентом светодиодных ламп и полупроводниковым материалом для мощных микросхем вашего смартфона. Единственное, что мешает галлию захватить мир электроники, это то, что он очень редок и очень дорог по сравнению с кремнием.
Менделеев предсказал существование галлия
Чистый галлий в его блестящей элементарной форме в природе не существует. Его необходимо извлекать из минералов, таких как бокситы, посредством многоступенчатого химического процесса. По данным Геологической службы США, содержание галлия в земной коре составляет ничтожные 19 частей на миллион (кремния, для сравнения, 282 000 частей на миллион). Первым, кто выделил и признал галлий новым элементом, 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 Буабодран знаменитый русский химик Дмитрий Менделеев предсказал существование галлия. Менделеев, известный как «отец периодической таблицы», увидел, что после алюминия в таблице есть пробел, поэтому он предположил, что отсутствующий элемент, который он назвал «экаалюминием», будет обладать многими свойствами алюминия, но с другая атомная структура.
Менделеев был прав, но он не мог предсказать, каким образом необычные свойства галлия - нечто среднее между металлом и неметаллом - сделают его идеальным для современной электроники.
Элемент с кризисом идентичности
Вот еще один крутой и несколько странный факт о галлии: хотя он плавится при температуре всего 85,6 градусов по Фаренгейту (29,8 градусов по Цельсию), он не кипит до обжигающих 3 999 градусов по Фаренгейту (2 204 градуса по Цельсию). Это приносит галлию награду за сохранение самой продолжительной жидкой фазы среди всех элементов. Но почему так происходит?
«Галлий сбит с толку», - говорит Даниэль Миндиола, профессор химии Пенсильванского университета, с которым мы связались через Американское химическое общество.«Он плавится при низкой температуре, что соответствует легкому элементу, но кипит при очень высокой температуре, что соответствует очень тяжелому элементу. Галлий не знает, хочет ли он быть металлом или неметаллом."
Двойственность галлия связана с тем, что он находится в периодической таблице среди двух групп, называемых «металлоидами» и «постпереходными металлами». Галлий следует за алюминием, но его атомы гораздо более «независимы», чем его блестящая фольга (понятно?), а алюминий более «электроположителен», говорит Миндиола, что является чертой настоящих металлов.
Как и кремний, галлий является хорошим, но не очень хорошим проводником электричества. Вот что делает оба этих металлоида главными кандидатами на роль полупроводников, где необходимо контролировать поток электричества.
«Галлий на самом деле является идеальным полупроводниковым материалом, даже лучше, чем кремний», - говорит Миндиола. "Проблема в том, что это редкость, поэтому дорого."
Используя современные производственные процессы, пластина из арсенида галлия, самого популярного полупроводникового материала на основе галлия, примерно в 1000 раз дороже кремниевой пластины.
В ваших гаджетах есть галлий
Несмотря на то, что галлий намного дороже кремния, он стал популярным полупроводниковым материалом в последних поколениях смартфонов. Смартфоны взаимодействуют с сотовыми сетями передачи данных с помощью радиочастотных (РЧ) чипов, а РЧ-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, немногим более 70 процентов всего галлия, потребляемого в США, используется для изготовления радиочастотных микросхем и других типов интегральных схем.
Но одно из самых крутых применений галлия - это светоизлучающие диоды (LED), которые теперь используются во всем, от компьютерных дисплеев до светофоров и фар роскошных автомобилей. Светодиоды так популярны, потому что они сверхэффективны, преобразуя 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 (комбинаций галлия, мышьяка, азота, фосфора и других элементов).
В диоде электроны проходят через два слоя полупроводникового материала, один с положительным зарядом, а другой с отрицательным. Поскольку свободные электроны с отрицательной стороны заполняют «дыры» на положительной стороне, в качестве побочного продукта они испускают фотон света. 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 излучает синий свет.
«Просто подайте ток на светодиод, и он загорится, как рождественская елка», - говорит Миндиола.
Светодиоды не только излучают свет при подключении к электричеству, но и этот процесс можно обратить вспять. Специальные диоды внутри солнечных элементов также изготовлены из полупроводников на основе галлия. Они берут входящий свет и разделяют его на свободные электроны и «дырки», генерируя напряжение, которое можно сохранить в батарее в виде электричества.
Другое изящное использование галлия
«Медицина также начинает использовать галлий для выявления и лечения определенных видов рака», - говорит Миндиола. «Галлий-67 притягивается к клеткам, которые реплицируются быстрее, чем обычно, что и происходит в опухоли».
Галлий-67 - радиоактивный изотоп галлия, излучающий нетоксичные гамма-лучи. Рентгенологи могут сканировать все тело пациента на наличие опухолей или воспалений, вызванных инфекцией, вводя им в кровоток галлий-67. Поскольку галлий-67 связывается с скоплениями быстрорастущих клеток, эти потенциальные проблемные места будут обнаружены при сканировании ПЭТ или любом другом сканировании, чувствительном к гамма-излучению. Нитрат галлия также показал эффективность в уменьшении и уничтожении некоторых типов опухолей, а не только в их обнаружении.
Аэрокосмическая промышленность уже несколько десятилетий использует галлий. Все высококачественные солнечные панели, питающие спутники и космические корабли дальнего действия, сделаны из арсенида галлия, в том числе критически важные солнечные панели на марсоходах Mars Exploration. При максимальной производительности солнечные элементы на основе галлия на марсоходах могут производить 900 ватт-часов энергии за марсианский день.
Вот это круто
Когда вы смешиваете точное количество галлия, индия и олова, вы получаете металлический сплав, который на самом деле плавится при -2,2 градуса по Фаренгейту (-19 градусов по Цельсию). Этот жидкий металл, известный под торговой маркой Галистан, является нетоксичной заменой ртути в термометрах.
Часто задаваемые вопросы
Галлий редкий или обычный?
Галлий - относительно редкий элемент, содержание которого в континентальной коре Земли составляет около 19 частей на миллион.