Naučnici konačno rešili 150 godina staru misteriju galijuma

Skoro 150 godina nakon što je galijum prvi put otkriven i dodat u periodni sistem elemenata, naučnici sa Univerziteta u Oklandu otkrili su ranije nepoznate detalje o atomskoj strukturi i ponašanju ovog metala.

Galijum je 1875. godine otkrio francuski hemičar Pol Emil Lekok de Boabodran. Najpoznatiji je po svojoj neobično niskoj tački topljenja, koja omogućava da se kašika od galijuma istopi u šolji toplog čaja. Ovaj metal takođe igra ključnu ulogu u poluprovodnicima i mnogim modernim elektronskim tehnologijama, piše ScienceDaily.

Preporučujemo

Novoobjavljeni nalazi fokusiraju se na to kako se galijum ponaša na atomskom nivou, otkrivajući svojstva koja prkose decenijama naučnog razumevanja.

Galijum se već po nekoliko osnova izdvaja od većine metala. Njegovi atomi se prirodno uparuju u „dimere“, što znači da postoje kao povezani parovi. On je takođe jedna od retkih supstanci koja je u čvrstom stanju manje gusta nego u tečnom, slično ledu koji pluta na vodi.

Još jedna neobična karakteristika je to što galijum formira „kovalentne veze“, u kojima atomi dele elektrone. Ovaj tip vezivanja je daleko češći kod nemetala nego kod metala.

Naučnici su dugo verovali da te kovalentne veze nestaju kada se galijum istopi. Međutim, nova studija je otkrila da, iako veze iščezavaju na tački topljenja, one se neočekivano vraćaju kada se tečnost zagreje na još više temperature.

Ovo otkriće obara dugo prihvaćenu pretpostavku i sugeriše novo objašnjenje za izuzetno nisku tačku topljenja galijuma. Istraživači predlažu da, kada se veze raskinu, rezultujuće povećanje entropije - mere nereda - oslobađa atome i olakšava topljenje.

- Trideset godina literature o strukturi tečnog galijuma zasnivalo se na fundamentalnoj pretpostavci koja očigledno nije tačna – rekla je Nikola Gaston, profesorka sa Univerziteta u Oklandu i Instituta za napredne materijale i nanotehnologiju Mekdajarmid.

Studiju su sproveli dr Stef Lambi, sada postdoktorski istraživač na Maks Plank institutu za istraživanje čvrstog stanja u Nemačkoj, profesorka Nikola Gaston i dr Krista Stinbergen sa Viktorija univerziteta u Velingtonu i Instituta Mekdajarmid.

Do preokreta je došlo dok je Lambi završavala doktorske studije na Univerzitetu u Oklandu. Pažljivim pregledom decenija objavljenih istraživanja i poređenjem merenja prikupljenih na različitim temperaturama, Lambi je sklopila potpuniju sliku o ponašanju galijuma.

Nalazi su objavljeni u žurnalu Materials Horizons.

Bolje razumevanje toga kako se galijum menja sa temperaturom moglo bi da koristi nanotehnologiji, gde istraživači manipulišu materijom na ekstremno malim nivoima kako bi stvorili nove materijale sa specifičnim svojstvima.

Galijum je takođe dragocen jer može da rastvara druge metale, što ga čini korisnim za proizvodnju tečnih metalnih katalizatora i „samooklapajućih struktura“, u kojima se neuređeni materijali spontano organizuju u uređene oblike. U jednom ranijem projektu, Gaston, Lambi i Stinbergen su koristile tečni galijum da bi kristalizovale cink u složene strukture nalik pahuljama.

Postojanje galijuma bilo je predviđeno pre nego što je ikada otkriven. Ruski hemičar Dmitrij Mendeljejev je 1871. godine napravio prvi periodni sistem tako što je poređao elemente prema rastućem atomskom broju i namerno ostavio prazna mesta za elemente za koje je verovao da tek treba da budu pronađeni. Galijum je kasnije popunio jedno od tih predviđenih mesta.

Ovaj metal se ekstrahuje iz minerala i stena kao što je boksit i u prirodi se ne javlja u čistom obliku. Danas se galijum široko koristi u poluprovodnicima, telekomunikacionoj opremi, LED diodama, laserskim diodama, solarnim panelima, računarstvu visokih performansi, vazduhoplovnoj i odbrambenoj industriji, kao i kao bezbednija alternativa živi u termometrima.

Istraživači takođe ispituju može li galijum pomoći u identifikaciji tragova drevnog života na Marsu. Naučnici sa Fakulteta za ekologiju i centra Te Ao Mārama proučavaju može li ovaj metal sačuvati tragove prošlog mikrobnog života kao hemijski „otisak prsta“.

Ime galijum potiče od Galije, latinskog naziva za prostore današnje Francuske, čime je odata počast nacionalnosti njegovog pronalazača.

(Telegraf Nauka/ScienceDaily)