Nowe badania ujawniają aspekty struktury i zachowania na poziomie atomowym.
Prawie 150 lat po swoim odkryciu i późniejszym dodaniu do układu okresowego gal w dalszym ciągu odkrywa swoje tajemnice. Naukowcy z Uniwersytetu w Auckland odkryli niedawno nowe aspekty struktury i zachowania metalu.
Gal został po raz pierwszy zidentyfikowany w 1875 roku przez francuskiego chemika Paula-Émile Lecoqa de Boisbaudran. Gal wyróżnia się niską temperaturą topnienia, która jest tak niska, że łyżka wykonana z galu może roztopić się w filiżance herbaty. Ten niezwykły metal jest również kluczowym elementem w produkcji półprzewodniki.
Zaskakujące odkrycie dotyczy zachowania galu na poziomie atomowym.
W przeciwieństwie do większości metali gal występuje w postaci „dimerów” – par atomów – i ma mniejszą gęstość w postaci ciała stałego niż cieczy, podobnie jak lód unosi się na wodzie. Gal zawiera „wiązania kowalencyjne”, w których atomy dzielą elektrony, co jest również niezwykłe w przypadku metalu.
Nowe badanie pokazuje, że choć wiązania te znikają w temperaturze topnienia, pojawiają się ponownie w wyższych temperaturach.
Jest to sprzeczne z ugruntowanymi od dawna założeniami i wymaga nowego wyjaśnienia niskiej temperatury topnienia galu. Naukowcy sugerują, że kluczem może być duży wzrost entropii – miary nieporządku – gdy wiązania znikają, uwalniając atomy.
Przełom w zrozumieniu galu
„Trzydzieści lat literatury na temat struktury ciekłego galu opierało się na podstawowym założeniu, które oczywiście nie jest prawdą” – mówi profesor Nicola Gaston z Waipapa Taumata Rau na Uniwersytecie w Auckland oraz z Instytutu Zaawansowanych Materiałów i Nanotechnologii MacDiarmid.
Badania przeprowadzili dr Steph Lambie – obecnie pracownik naukowy ze stopniem doktora w Instytucie Max-Planck Institute for Solid State Research w Niemczech – Gaston i dr Krista Steenbergen z Victoria University of Wellington i MacDiarmid Institute.
Przełom dokonał Lambie, wówczas doktorant na Uniwersytecie i w Instytucie MacDiarmid, który skrupulatnie przejrzał literaturę naukową z poprzednich dziesięcioleci i porównał dane dotyczące temperatury, aby złożyć pełny obraz.
Wyniki ich badań opublikowano niedawno w czasopiśmie naukowym Horyzonty materiałów.
Zastosowania i znaczenie historyczne galu
Zrozumienie dokładnych procesów zachodzących w galu, a zwłaszcza jego zmian wraz z temperaturą, jest ważne dla postępu w nanotechnologii, w której naukowcy manipulują materią w celu stworzenia nowych materiałów.
Metal służy do rozpuszczania innych metali, ułatwiając tworzenie ciekłych katalizatorów metalicznych i „samoorganizujących się struktur”, w których nieuporządkowane materiały spontanicznie uzyskują strukturę.
Cynkowe „płatki śniegu” powstały w wyniku krystalizacji cynku w ciekłym galu w ramach poprzedniego projektu, w którym uczestniczyli Gaston, Lambie i Steenbergen.
Gal przewidywano jeszcze przed jego odkryciem. Kiedy w 1871 roku rosyjski chemik Dmitrij Mendelejew stworzył pierwszy układ okresowy pierwiastków, układając pierwiastki według rosnącej liczby atomowej, pozostawił luki na brakujące pierwiastki sugerowane przez znane pierwiastki.
Gal, pozyskiwany z minerałów i skał, takich jak boksyt, nie występuje w przyrodzie w czystej postaci. Wykorzystywany w półprzewodnikach, metal stosowany jest również w telekomunikacji, diodach LED i diodach laserowych, panelach słonecznych, obliczeniach wielkiej skali, przemyśle lotniczym i obronnym, a także jako alternatywa dla rtęci w termometrach.
Co ciekawe, naukowcy polują na ślady przeszłego życia Mars dostrzegają potencjał galu w dostarczaniu wskazówek jako chemiczny „odcisk palca” pozwalający zachować ślady dawnego życia drobnoustrojów. Badają to naukowcy z Uniwersyteckiej Szkoły Środowiska i Te Ao Mārama – Centrum Badań Podstawowych.
Odniesienie: „Rozwiązanie dziesięcioleci debaty: zaskakująca rola kowalencji wysokotemperaturowej w strukturze ciekłego galu” Stephanie Lambie, Krista G. Steenbergen i Nicola Gaston, 24 czerwca 2024 r., Horyzonty materiałów.
DOI: 10.1039/D4MH00244J
