Gallium är ett sällsynt, silvervitt grundämne som kan göra ett av de coolaste salongstricken i det periodiska systemet. Vid rumstemperatur är gallium en glänsande metallisk fast substans som liknar ren aluminium. Men håll den i händerna i några minuter så börjar denna solida metallbit smälta.
Japp, smältpunkten för gallium är bara 85,6 grader F (29,8 grader C), vilket betyder att det smälter till en spegelliknande pöl i din varma lilla hand. I sin flytande form ser gallium mycket ut som kvicksilver, men gallium är inte giftigt som kvicksilver så det är säkrare att hantera (även om det kan fläcka din hud).
Men gallium är så mycket mer än foder för YouTube-videor som smälter i handen. Det är också en nyckelingrediens i LED-lampor och det bästa halvledarmaterialet för de kraftfulla mikrochippen i din smartphone. Det enda som hindrar gallium från att ta över elektronikvärlden är att det är väldigt sällsynt och väldigt dyrt jämfört med kisel.
InnehållRent gallium existerar inte i sin glänsande elementära form i naturen. Det måste utvinnas från mineraler som bauxit genom en kemisk process i flera steg. Enligt U.S. Geological Survey är mängden gallium i jordskorpan ynka 19 miljondelar (kisel, som jämförelse, är 282 000 miljondelar). Den första personen som isolerade och kände igen gallium som ett nytt grundämne var den franske kemisten Paul-Emile Lecoq de Boisbaudran 1875. Han döpte det till gallium efter det latinska namnet för Frankrike, "Gallia."
Men fyra år före Boisbaudrans upptäckt förutspådde den berömda ryske kemisten Dmitri Mendeleev galliums existens. Mendeleev, känd som "det periodiska systemets fader", såg att det fanns en lucka i tabellen efter aluminium, så han ansåg att ett saknat grundämne han kallade "eka-aluminium" skulle dela många av aluminiumets egenskaper, men med en annan atomstruktur.
Mendeleev hade rätt, men han kunde inte ha förutspått hur galliums ovanliga egenskaper – någonstans mellan en metall och en icke-metall – skulle göra den idealisk för modern elektronik.
Här är ett annat coolt och något bisarrt faktum om gallium:Även om det smälter vid bara 85,6 grader F (29,8 grader C), kokar det inte förrän en brännande temperatur på 3 999 grader F (2 204 grader C). Det ger gallium priset för att bibehålla den längsta flytande fasen av något element. Men varför händer det?
"Gallium är förvirrad", säger Daniel Mindiola, en kemiprofessor vid University of Pennsylvania som vi nådde genom American Chemical Society. "Det smälter vid en låg temperatur, vilket är förenligt med ett lätt grundämne, men det kokar vid en mycket hög temperatur, vilket är förenligt med ett mycket tungt grundämne. Gallium vet inte om det vill vara en metall eller en icke-metall. "
Galliums dubbla personlighet härrör från där den sitter i det periodiska systemet bland två grupper som kallas "metalloiderna" och "post-transition metaller". Gallium är näst på tur efter aluminium, men dess atomer är mycket mer "oberoende" än dess glänsande folie (förstår det?) och aluminium är mer "elektropositivt", säger Mindiola, en egenskap hos sanna metaller.
Precis som kisel är gallium en bra ledare av elektricitet, men inte bra. Det är det som gör båda dessa metalloider till de främsta kandidaterna för halvledare, där elflödet måste kontrolleras.
"Gallium är faktiskt det ideala halvledande materialet, till och med bättre än kisel", säger Mindiola. "Problemet är att det är sällsynt, så det är dyrt."
Med nuvarande tillverkningsprocesser är en wafer av galliumarsenid, det mest populära galliumbaserade halvledarmaterialet, ungefär 1 000 gånger dyrare än en kiselwafer.
Även om gallium är mycket dyrare än kisel, har det blivit ett populärt halvledarmaterial i de senaste generationerna av smartphones. Smartphones kommunicerar med cellulära datanätverk med hjälp av radiofrekvenschips (RF), och RF-chips gjorda med galliumarsenid avger mindre värme än kisel och kan arbeta på högre frekvensband, ett krav för 5G-nätverk. Lite mer än 70 procent av allt gallium som konsumeras i USA används för att tillverka RF-chips och andra typer av integrerade kretsar, enligt USGS.
Men en av de coolaste tillämpningarna av gallium är i lysdioder (LED), som nu används i allt från datorskärmar till trafikljus till lyxbilsstrålkastare. Lysdioder är så populära eftersom de är supereffektiva och omvandlar elektricitet direkt till ljus. De första lysdioderna för synligt ljus uppfanns i början av 1960-talet när forskare vid General Electric upptäckte de unika egenskaperna hos dioder tillverkade av olika galliumlegeringar (kombinationer av gallium, arsenik, kväve, fosfor och andra grundämnen).
I en diod rör sig elektroner genom två lager av halvledarmaterial, ett med positiv laddning och det andra med negativt. När fria elektroner från den negativa sidan fyller "hål" i den positiva sidan, avger de en foton av ljus som en biprodukt. Forskare har upptäckt att olika galliumlegeringar avger fotoner med olika frekvenser för synligt ljus. Galliumarsenid och galliumfosfid producerar rött, orange och gult ljus, medan galliumnitrid producerar blått ljus.
"Sätt bara en ström på en lysdiod så lyser den som en julgran", säger Mindiola.
LED-lampor producerar inte bara ljus när de är anslutna till el, utan processen kan vändas. De speciella dioderna inuti solceller är också gjorda av galliumbaserade halvledare. De tar inkommande ljus och separerar det i fria elektroner och "hål", genererar spänning som kan sparas i ett batteri som elektricitet.
"Medicin börjar också använda gallium för att upptäcka och behandla vissa typer av cancer", säger Mindiola. "Gallium-67 attraheras av celler som replikerar snabbare än normalt, vilket är vad som händer i en tumör."
Gallium-67 är en radioaktiv isotop av gallium som avger giftfria gammastrålar. Radiologer kan skanna en patients hela kropp efter tumörer eller inflammation från en infektion genom att injicera gallium-67 i blodomloppet. Eftersom gallium-67 binder till klumpar av snabbväxande celler, kommer de potentiella problemställena att dyka upp på en PET-skanning eller någon annan skanning som är känslig för gammastrålar. Galliumnitrat har också visat effektivitet när det gäller att krympa och döda vissa typer av tumörer, inte bara att upptäcka dem.
Flygindustrin har varit het på gallium i decennier. Alla avancerade solpaneler som driver satelliter och rymdfarkoster med lång räckvidd är gjorda med galliumarsenid, inklusive de kritiska solpanelerna på Mars Exploration Rovers. Vid högsta prestanda kunde de galliumbaserade solcellerna på Mars rovers producera 900 wattimmar energi per Marsdygn.
Nu är det cooltNär du kombinerar exakta mängder gallium, indium och tenn får du en metallegering som faktiskt smälter vid -2,2 grader F (-19 grader C). Denna flytande metall, känd under sitt varumärke Galistan, är en giftfri ersättning för kvicksilver i termometrar.
