Γάλλιο: ιδιότητες και χρήσεις

Γάλλιο: ιδιότητες και χρήσεις

Το γάλλιο είναι ένα σπάνιο, ασημί-λευκό στοιχείο που διαθέτει μία ιδιότητα, ίσως μοναδική σε όλο τον περιοδικό πίνακα. Σε θερμοκρασία δωματίου, το γάλλιο είναι ένα γυαλιστερό μεταλλικό στερεό που μοιάζει με καθαρό αλουμίνιο. Αλλά αν το κρατήσετε στα χέρια σας για λίγα λεπτά, αυτό το συμπαγές κομμάτι μετάλλου θα αρχίσει να λιώνει.

Disclaimer: Απαγορεύεται η αναδημοσίευση, αναπαραγωγή, ολική, μερική ή περιληπτική ή κατά παράφραση ή διασκευή ή απόδοση του περιεχομένου του παρόντος διαδικτυακού τόπου με οποιονδήποτε τρόπο, χωρίς αναφορά στο RAWMATHUB.GR (με ενεργό link) ή χωρίς την προηγούμενη γραπτή άδεια του RAWMATHUB.GR. 

Το σημείο τήξης του γαλλίου είναι μόλις 29,8 βαθμοί Κελσίου, που σημαίνει ότι τήκεται λόγω της θερμοκρασίας του σώματός σας στο ανωτέρω παράδειγμα. Στην υγρή του μορφή, το γάλλιο μοιάζει πολύ με τον υδράργυρο, αλλά το γάλλιο δεν είναι τοξικό όπως ο υδράργυρος, επομένως είναι πιο ασφαλές στο χειρισμό του.

Το γάλλιο είναι βασικό συστατικό των φωτοδιόδων LED και των ημιαγωγών για τα ισχυρά microchips στο smartphone σας. Το μόνο πράγμα που εμποδίζει το γάλλιο να καταλάβει τον κόσμο των ηλεκτρονικών είναι ότι είναι πολύ σπάνιο και πολύ ακριβό σε σύγκριση με το πυρίτιο.

Ο Mendeleev προέβλεψε την ύπαρξη του γαλλίου

Το καθαρό γάλλιο δεν υπάρχει στη γυαλιστερή στοιχειακή του μορφή στη φύση. Εξάγεται από ορυκτά όπως ο βωξίτης μέσω μιας χημικής διαδικασίας πολλαπλών σταδίων. Σύμφωνα με το Γεωλογικό Ινστιτούτο των ΗΠΑ, το γάλλιο απαντάται στον φλοιό της Γης σε σχεδόν 19 μέρη ανά εκατομμύριο (το πυρίτιο, σε σύγκριση, απαντάται σε 282.000 μέρη ανά εκατομμύριο). Ο πρώτος που απομόνωσε και αναγνώρισε το γάλλιο ως νέο στοιχείο ήταν ο Γάλλος χημικός Paul-Emile Lecoq de Boisbaudran το 1875. Το ονόμασε γάλλιο από τη λατινική ονομασία της Γαλλίας, «Gallia».

Τέσσερα χρόνια πριν την ανακάλυψη του Boisbaudran, ο διάσημος Ρώσος χημικός Dmitri Mendeleev προέβλεψε την ύπαρξη του γαλλίου. Ο Mendeleev, γνωστός ως ο «πατέρας του περιοδικού πίνακα», είδε ότι υπήρχε ένα κενό στον πίνακα μετά το αλουμίνιο, έτσι υπέθεσε ότι ένα στοιχείο που λείπει, και το οποίο ονόμασε «eka-aluminium» θα είχε πολλές από τις ιδιότητες του αλουμινίου, αλλά διαφορετική ατομική δομή.

Ο Mendeleev είχε δίκιο, αλλά δεν μπορούσε να προβλέψει πώς οι ασυνήθιστες ιδιότητες του γαλλίου -κάπου μεταξύ ενός μετάλλου και ενός αμετάλλου- θα το καθιστούσαν ιδανικό για τις σύγχρονες ηλεκτρονικές συσκευές.

Ένα στοιχείο με «κρίση ταυτότητας»

Ακόμη μία παράξενη ιδιότητα του γαλλίου είναι ότι ενώ λιώνει στους μόλις 29,8oC, δεν βράζει μέχρι τους 2.204oC! Αυτό δίνει στο γάλλιο την πρώτη θέση μεταξύ των στοιχείων όσον αφορά στο θερμοκρασιακό εύρος διατήρησης της υγρής φάσης. Γιατί όμως συμβαίνει αυτό;

«Το γάλλιο θα μπορούσαμε να πούμε ότι είναι σε «σύγχυση», αν αυτός είναι ένας δόκιμος όρος για τα χημικά στοιχεία», λέει Daniel Mindiola, καθηγητής χημείας στο Πανεπιστήμιο της Πενσυλβάνια και μέλος της Αμερικανικής Χημικής Εταιρείας. «Το γάλλιο τήκεται σε χαμηλή θερμοκρασία, ιδιότητα που συνάδει με τις ιδιότητες ενός ελαφρού στοιχείου, αλλά βράζει σε πολύ υψηλή θερμοκρασία, η οποία συνάδει με ένα πολύ βαρύ στοιχείο. Το γάλλιο δεν ξέρει αν θέλει να είναι μέταλλο ή αμέταλλο».

Η «διπλή προσωπικότητα» του γαλλίου πηγάζει από το σημείο που βρίσκεται στον περιοδικό πίνακα (post-transition metals). Το γάλλιο είναι το επόμενο στη σειρά μετά το αλουμίνιο, αλλά τα άτομα του είναι πολύ πιο «ανεξάρτητα» σε σχέση με αυτά ενός μετάλλου, ενώ το αλουμίνιο είναι πιο «ηλεκτροθετικό», λέει ο Mindiola, ένα χαρακτηριστικό των πραγματικών μετάλλων.

Όπως το πυρίτιο, το γάλλιο είναι καλός αγωγός του ηλεκτρισμού, αλλά όχι σπουδαίος. Αυτό είναι που κάνει και τα δύο αυτά στοιχεία κύριους υποψήφιους για την κατασκευή ημιαγωγών, όπου πρέπει να υπάρχει ελεγχόμενη ροή του ηλεκτρισμού. «Το γάλλιο είναι στην πραγματικότητα το ιδανικό ημιαγώγιμο υλικό, ακόμα καλύτερο από το πυρίτιο», λέει ο Mindiola. «Το πρόβλημα είναι ότι είναι σπάνιο, επομένως είναι ακριβό».

Χρησιμοποιώντας τις τρέχουσες διαδικασίες παραγωγής, ένα δισκίο (wafer) από αρσενίδιο του γαλλίου, το πιο δημοφιλές υλικό ημιαγωγών με βάση το γάλλιο, είναι περίπου 1.000 φορές πιο ακριβό από ένα δισκίο πυριτίου.

Το αρσενίδιο του γαλλίου χρησιμοποιείται σε ολοκληρωμένα κυκλώματα πυριτίου για συστήματα υποβοήθησης ραντάρ σε αυτοκίνητα

Galistan

Ο ακριβής συνδυασμός γαλλίου, ινδίου και και κασσιτέρου, έχει ως αποτέλεσμα ένα μεταλλικό κράμα που τήκεται στους -19 oC. Αυτό το υγρό μέταλλο, γνωστό με την εμπορική ονομασία Galistan, είναι ένα μη τοξικό υποκατάστατο του υδραργύρου σε θερμόμετρα.

Οι ηλεκτρονικές συσκευές περιέχουν γάλλιο

Παρόλο που το γάλλιο είναι πολύ πιο ακριβό από το πυρίτιο, έχει γίνει ένα δημοφιλές υλικό ημιαγωγών στις τελευταίες γενιές smartphone. Τα smartphone επικοινωνούν με δίκτυα δεδομένων κινητής τηλεφωνίας χρησιμοποιώντας chips ραδιοσυχνοτήτων (RF) και τα chips αυτού του είδους που είναι κατασκευασμένα από αρσενίδιο του γαλλίου, εκπέμπουν λιγότερη θερμότητα σε σχέση με τα αντίστοιχα του πυριτίου, ενώ παράλληλα μπορούν να λειτουργούν σε ζώνες υψηλότερης συχνότητας, μία κύρια απαίτηση των δικτύων 5G. Λίγο περισσότερο από το 70% του συνόλου του γαλλίου που καταναλώνεται στις ΗΠΑ, χρησιμοποιείται για την κατασκευή RF microchips και άλλων τύπων ολοκληρωμένων κυκλωμάτων.

Αλλά μια από τις πιο σημαντικές εφαρμογές του γαλλίου είναι στις διόδους εκπομπής φωτός (LED), οι οποίες χρησιμοποιούνται πλέον σε οτιδήποτε, από οθόνες υπολογιστών μέχρι φανάρια έως προβολείς πολυτελών αυτοκινήτων. Τα LED είναι τόσο δημοφιλή επειδή είναι εξαιρετικά αποδοτικά, μετατρέποντας την ηλεκτρική ενέργεια απευθείας σε φως.

Τα πρώτα LED ορατού φωτός εφευρέθηκαν στις αρχές της δεκαετίας του 1960, όταν ερευνητές της General Electric ανακάλυψαν τις μοναδικές ιδιότητες των διόδων που κατασκευάζονται με διάφορα κράματα γαλλίου (συνδυασμοί γαλλίου, αρσενικού, αζώτου, φωσφόρου και άλλων στοιχείων).

Σε μια δίοδο, τα ηλεκτρόνια κινούνται μέσα από δύο στρώματα υλικού ημιαγωγού, το ένα με θετικό φορτίο και το άλλο με αρνητικό. Καθώς τα ελεύθερα ηλεκτρόνια από την αρνητική πλευρά καλύπτουν οπές (p-holes) στη θετική πλευρά, εκπέμπουν ένα φωτόνιο ως υποπροϊόν. Οι επιστήμονες ανακάλυψαν ότι διαφορετικά κράματα γαλλίου εκπέμπουν φωτόνια διαφορετικών συχνοτήτων ορατού φωτός. Το αρσενίδιο του γαλλίου και το φωσφίδιο του γαλλίου παράγουν κόκκινο, πορτοκαλί και κίτρινο φως, ενώ το νιτρίδιο του γαλλίου παράγει μπλε φως.

«Απλώς εφαρμόστε ρεύμα σε ένα LED και ανάβει σαν χριστουγεννιάτικο δέντρο», λέει η Mindiola. Ναι μεν τα LED παράγουν φως όταν συνδέονται σε μία πηγή ηλεκτρικής ενέργειας, αλλά η διαδικασία μπορεί να αντιστραφεί. Οι ειδικές δίοδοι στο εσωτερικό των ηλιακών κυψελών είναι επίσης κατασκευασμένες από ημιαγωγούς με βάση το γάλλιο. Παίρνουν το εισερχόμενο ηλιακό φως και το διαχωρίζουν σε ελεύθερα ηλεκτρόνια και «οπές», δημιουργώντας ηλεκτρική τάση που μπορεί να αποθηκευτεί σε μια μπαταρία ως ηλεκτρική ενέργεια.

Άλλες σημαντικές χρήσεις του γαλλίου

«Και ο τομέας της ιατρικής αρχίζει να χρησιμοποιεί το γάλλιο, για την ανίχνευση και τη θεραπεία ορισμένων τύπων καρκίνου», λέει ο Mindiola. «Το γάλλιο-67 έλκεται από κύτταρα που αναπαράγονται πιο γρήγορα από το κανονικό, κάτι που συμβαίνει σε έναν όγκο».

Το γάλλιο-67 είναι ένα ραδιενεργό ισότοπο του γαλλίου που εκπέμπει μη τοξικές ακτίνες γάμμα. Οι ακτινολόγοι μπορούν να σαρώσουν ολόκληρο το σώμα ενός ασθενούς για όγκους ή φλεγμονές από λοίμωξη με έγχυση γάλλιου-67 στην κυκλοφορία του αίματος. Δεδομένου ότι το γάλλιο-67 συνδέεται με συστάδες ταχέως αναπτυσσόμενων κυττάρων, αυτά τα πιθανά προβληματικά σημεία θα εμφανιστούν σε μια σάρωση PET ή σε οποιαδήποτε άλλη σάρωση που είναι ευαίσθητη στις ακτίνες γάμμα. Το νιτρικό γάλλιο έχει επίσης δείξει αποτελεσματικότητα στη συρρίκνωση και τη θανάτωση ορισμένων τύπων όγκων, όχι απλώς την ανίχνευσή τους.

Η αεροδιαστημική βιομηχανία είναι επίσης ένας τομέας εφαρμογής του γαλλίου εδώ και δεκαετίες. Όλα τα υψηλής ποιότητας ηλιακά panel που τροφοδοτούν δορυφόρους και διαστημόπλοια μεγάλης εμβέλειας, είναι κατασκευασμένα από αρσενίδιο του γαλλίου, συμπεριλαμβανομένων των ηλιακών συλλεκτών στα Mars Exploration Rovers. Οι ηλιακές κυψέλες με βάση το γάλλιο στα ρόβερ του Άρη θα μπορούσαν να παράγουν κατά το μέγιστο 900Wh ενέργειας ανά Αρειανή ημέρα.

Πηγή: HowStuffWorks.com

ΜΕΤΑΦΡΑΣΗ - ΕΠΙΜΕΛΕΙΑ: ΣΥΝΤΑΚΤΙΚΗ ΟΜΑΔΑ RAWMATHUB.GR
Image

Έγκυρη ενημέρωση για την αξιακή αλυσίδα των raw materials

NEWSLETTER