Cercetătorii au descifrat în sfârșit structura atomică a galiului, explicând la nivel molecular de ce acest metal sfidează regulile fizicii clasice prin topirea la simpla atingere umană.
La aproape 150 de ani de la descoperirea galiului și adăugarea sa în tabelul periodic, oamenii de știință de la Universitatea din Auckland au descoperit detalii până atunci necunoscute despre structura atomică și comportamentul acestui metal.
Galiul a fost descoperit în anul 1875 de chimistul francez Paul Émile Lecoq de Boisbaudran. Este cunoscut mai ales pentru punctul său de topire neobișnuit de scăzut, care permite unei linguri de galiu să se topească într-o ceașcă de ceai fierbinte. Metalul joacă, de asemenea, un rol esențial în semiconductori și în multe tehnologii electronice moderne.
Noile descoperiri se concentrează asupra modului în care se comportă galiul la nivel atomic, dezvăluind proprietăți care pun sub semnul întrebării decenii de cunoștințe științifice.
De ce se topește galiul atât de ușor? Paradoxul legăturilor covalente
Galiul se distinge deja de majoritatea metalelor în mai multe moduri. Atomii săi se împerechează în mod natural în dimeri, ceea ce înseamnă că există sub formă de perechi legate între ele. De asemenea, este una dintre puținele substanțe care are o densitate mai mică în stare solidă decât în stare lichidă, la fel ca gheața care plutește pe apă.
O altă caracteristică neobișnuită este faptul că galiul formează legături covalente, în care atomii împart electroni. Acest tip de legătură este mult mai frecvent la nemetale decât la metale.
Oamenii de știință au crezut mult timp că aceste legături covalente dispar atunci când galiul se topește. Cu toate acestea, noul studiu a descoperit că, deși legăturile dispar la punctul de topire, ele reapar în mod neașteptat atunci când lichidul este încălzit la temperaturi și mai ridicate. Spre deosebire de comportamentul așteptat de la alte elemente chimice, galiul capătă o organizare structurală superioară pe măsură ce este încălzit, fenomen declanșat de o creștere bruscă a entropiei imediat după momentul topirii.
Această descoperire răstoarnă o ipoteză acceptată de mult timp și sugerează o nouă explicație pentru punctul de topire remarcabil de scăzut al galiului. Cercetătorii propun că, atunci când legăturile se rup, creșterea rezultată a entropiei – o măsură a dezordinii – eliberează atomii și facilitează topirea.
„Timp de treizeci de ani, literatura de specialitate privind structura galiului lichid s-a bazat pe o ipoteză fundamentală care, evident, nu este adevărată”, afirmă profesorul Nicola Gaston, de la Waipapa Taumata Rau, Universitatea din Auckland și Institutul MacDiarmid pentru Materiale Avansate și Nanotehnologie, citat de publicaţia Science Daily.
Revizuirea a zeci de ani de cercetare
Studiul a fost realizat de dr. Steph Lambie, actualmente cercetător postdoctoral la Institutul Max Planck pentru Cercetarea Stării Solide din Germania, de profesorul Nicola Gaston și de dr. Krista Steenbergen de la Universitatea Victoria din Wellington și de la Institutul MacDiarmid.
Descoperirea a avut loc în timp ce Lambie își finaliza doctoratul la Universitatea din Auckland și la Institutul MacDiarmid. Prin analizarea atentă a deceniilor de cercetări publicate și compararea măsurătorilor colectate la diferite temperaturi, Lambie a alcătuit o imagine mai completă a comportamentului galiului.
Rezultatele au fost publicate în revista de specialitate Materials Horizons într-un articol intitulat „Rezolvarea unor decenii de dezbateri: rolul surprinzător al covalenței la temperaturi ridicate în structura galiului lichid”.
De ce este importantă înțelegerea galiului
O mai bună înțelegere a modului în care galiul se modifică în funcție de temperatură ar putea aduce beneficii nanotehnologiei, domeniu în care cercetătorii manipulează materia la scări extrem de mici pentru a crea noi materiale cu proprietăți specializate.
Galiul este, de asemenea, valoros deoarece poate dizolva alte metale, ceea ce îl face util pentru producerea catalizatorilor din metal lichid și a „structurilor autoasamblante”, în care materialele dezordonate se organizează spontan în forme ordonate.
Într-un proiect anterior, Gaston, Lambie și Steenbergen au folosit galiul lichid pentru a cristaliza zincul în structuri complexe de tip „fulg de zăpadă”.
Înțelegerea modului în care se transformă aceste legături covalente la temperaturi înalte nu rezolvă doar un paradox academic, ci este esențială pentru viitorul componentelor electronice și al noilor generații de semiconductori bazați pe metal lichid.
La ce se folosește galiul în tehnologia modernă? De la predicția lui Mendeleev, la semiconductori
Galiul a fost prezis înainte de a fi descoperit vreodată. În 1871, chimistul rus Dmitri Mendeleev a creat primul tabel periodic, aranjând elementele în ordinea crescătoare a numerelor atomice și lăsând intenționat spații goale pentru elementele despre care credea că nu fuseseră încă descoperite. Galiul a umplut ulterior unul dintre acele spații prevăzute.
Metalul este extras din minerale și roci precum bauxita și nu se găsește în natură în forma sa pură. Astăzi, galiul este utilizat pe scară largă în semiconductori, echipamente de telecomunicații, LED-uri, diode laser, panouri solare, calcul de înaltă performanță, industria aerospațială și de apărare, precum și ca alternativă mai sigură la mercur în termometre.
Cercetătorii studiază, de asemenea, dacă galiul ar putea ajuta la identificarea semnelor de viață antică pe Marte. Oamenii de știință de la Facultatea de Mediu a Universității și de la Te Ao Mārama — Centrul pentru Cercetare Fundamentală studiază dacă metalul poate păstra urme ale vieții microbiene din trecut sub forma unei „amprente” chimice.
Numele „galiu” provine de la „Gaul”, vechiul nume latin al Franței, în onoarea naționalității descoperitorului său.
Astfel, la mai bine de un secol de la intuiția genială a lui Dmitri Mendeleev, studiul asupra proprietăților galiului confirmă că metalele lichide ascund încă mecanisme moleculare fundamentale capabile să remodeleze întreaga industrie a materialelor avansate.
Ce s-a mai descoperit în Știință?
Oamenii care par buni vânători-culegători sunt preferați ca prieteni, arată un studiu
O grăsime alimentară obișnuită poate favoriza diabetul de tip 2, în timp ce alta ajută la combaterea lui
De ce aceeași leziune a ADN-ului provoacă cancer doar la unele persoane — genele moștenite ar putea explica diferența
Un nou aliaj, de până la 10 ori mai rezistent decât oțelul, se îndoaie în loc să crape. Care este utilitatea sa
