Gallium is een zeldzaam, zilverwit element dat een van de coolste salontrucs op het periodiek systeem kan uitvoeren. Bij kamertemperatuur is gallium een ​​glanzende metaalachtige vaste stof die op puur aluminium lijkt. Maar houd het een paar minuten in je handen en dit stevige stuk metaal begint te smelten.

Ja, het smeltpunt van gallium is slechts 29,8 graden Celsius, wat betekent dat het in je hete handje smelt tot een spiegelachtige plas. In vloeibare vorm lijkt gallium veel op kwik, maar gallium is niet zo giftig als kwik, dus het is veiliger om mee te werken (hoewel het vlekken op je huid kan veroorzaken).

Maar gallium is zoveel meer dan voer voor YouTube-video's die in je hand smelten. Het is ook een belangrijk ingrediënt in LED-verlichting en het halfgeleidermateriaal voor de krachtige microchips in je smartphone. Het enige dat gallium ervan weerhoudt de elektronicawereld over te nemen, is dat het zeer zeldzaam en erg duur is in vergelijking met silicium.

1. Mendelejev voorspelde het bestaan ​​van gallium
2. Een element met een identiteitscrisis
3. Er zit gallium in je gadgets
4. Andere handige toepassingen van gallium

Mendelejev voorspelde het bestaan ​​van Gallium

Zuiver gallium bestaat niet in zijn glanzende elementaire vorm in de natuur. Het moet worden gewonnen uit mineralen zoals bauxiet via een meerstaps chemisch proces. Volgens de U.S. Geological Survey bedraagt ​​de overvloed aan gallium in de aardkorst een schamele 19 delen per miljoen (silicium is ter vergelijking 282.000 delen per miljoen). De eerste persoon die gallium isoleerde en als een nieuw element herkende, was de Franse chemicus Paul-Emile Lecoq de Boisbaudran in 1875. Hij noemde het gallium naar de Latijnse naam voor Frankrijk, 'Gallia'.

Maar vier jaar vóór de ontdekking van Boisbaudran voorspelde de beroemde Russische scheikundige Dmitri Mendelejev het bestaan ​​van gallium. Mendelejev, bekend als de ‘vader van het periodiek systeem’, zag dat er na aluminium een ​​gat in de tabel zat, dus stelde hij dat een ontbrekend element dat hij ‘eka-aluminium’ noemde veel van de eigenschappen van aluminium zou delen, maar met een andere atomaire structuur.

Mendelejev had gelijk, maar hij had niet kunnen voorspellen hoe de ongebruikelijke eigenschappen van gallium – ergens tussen een metaal en een niet-metaal – het ideaal zouden maken voor moderne elektronica.

Een element met een identiteitscrisis

Hier is nog een cool en enigszins bizar feit over gallium:hoewel het smelt bij slechts 29,8 graden Celsius, kookt het pas bij een verzengende temperatuur van 2204 graden Celsius. Dat levert gallium de onderscheiding op voor het behouden van de langste vloeibare fase van welk element dan ook. Maar waarom gebeurt dat?

"Gallium is in de war", zegt Daniel Mindiola, hoogleraar scheikunde aan de Universiteit van Pennsylvania, die we bereikten via de American Chemical Society. "Het smelt bij een lage temperatuur, wat overeenkomt met een licht element, maar het kookt bij een zeer hoge temperatuur, wat overeenkomt met een heel zwaar element. Gallium weet niet of het een metaal of een niet-metaal wil zijn. "

De dubbele persoonlijkheid van Gallium komt voort uit de plaats waar het op het periodiek systeem staat tussen twee groepen die de 'metalloïden' en de 'post-overgangsmetalen' worden genoemd. Gallium is de volgende in de rij na aluminium, maar de atomen zijn veel 'onafhankelijker' dan de glanzende folie (snap je dat?) en aluminium is 'elektropositiever', zegt Mindiola, een eigenschap van echte metalen.

Net als silicium is gallium een ​​goede geleider van elektriciteit, maar geen geweldige. Dat maakt deze beide metalloïden tot de voornaamste kandidaten voor halfgeleiders, waar de elektriciteitsstroom gecontroleerd moet worden.

“Gallium is eigenlijk het ideale halfgeleidende materiaal, zelfs beter dan silicium”, zegt Mindiola. "Het probleem is dat het zeldzaam is en dus duur."

Met de huidige productieprocessen is een wafer van galliumarsenide, het populairste halfgeleidermateriaal op basis van gallium, ruwweg duizend keer duurder dan een siliciumwafel.

Er zit gallium in je gadgets

Hoewel gallium veel duurder is dan silicium, is het een populair halfgeleidermateriaal geworden in de nieuwste generaties smartphones. Smartphones communiceren met mobiele datanetwerken met behulp van radiofrequentiechips (RF), en RF-chips gemaakt met galliumarsenide geven minder warmte af dan silicium en kunnen werken op hogere frequentiebanden, een vereiste voor 5G-netwerken. Iets meer dan 70 procent van al het gallium dat in de VS wordt verbruikt, wordt volgens de USGS gebruikt om RF-chips en andere soorten geïntegreerde schakelingen te maken.

Maar een van de coolste toepassingen van gallium is in light-emitting diodes (LED's), die nu in alles worden gebruikt, van computerschermen tot verkeerslichten en koplampen van luxe auto's. LED's zijn zo populair omdat ze superefficiënt zijn en elektriciteit rechtstreeks in licht omzetten. De eerste LED's met zichtbaar licht werden begin jaren zestig uitgevonden toen onderzoekers van General Electric de unieke eigenschappen ontdekten van diodes gemaakt met verschillende galliumlegeringen (combinaties van gallium, arseen, stikstof, fosfor en andere elementen).

In een diode bewegen elektronen zich door twee lagen halfgeleidermateriaal, één met een positieve lading en de andere met een negatieve lading. Terwijl vrije elektronen van de negatieve kant "gaten" in de positieve kant vullen, zenden ze een foton van licht uit als bijproduct. Wetenschappers hebben ontdekt dat verschillende galliumlegeringen fotonen met verschillende frequenties van zichtbaar licht uitzenden. Galliumarsenide en galliumfosfide produceren rood, oranje en geel licht, terwijl galliumnitride blauw licht produceert.

"Sluit gewoon stroom aan op een LED en hij licht op als een kerstboom", zegt Mindiola.

LED's produceren niet alleen licht wanneer ze op elektriciteit zijn aangesloten, maar het proces kan ook worden omgekeerd. De speciale diodes in zonnecellen zijn ook gemaakt van op gallium gebaseerde halfgeleiders. Ze vangen inkomend licht op en scheiden het in vrije elektronen en ‘gaten’, waardoor spanning ontstaat die in een batterij kan worden opgeslagen als elektriciteit.

Andere handige toepassingen van gallium

"De geneeskunde begint ook gallium te gebruiken voor het opsporen en behandelen van bepaalde soorten kanker", zegt Mindiola. "Gallium-67 wordt aangetrokken door cellen die zich sneller vermenigvuldigen dan normaal, wat gebeurt in een tumor."

Gallium-67 is een radioactieve isotoop van gallium die niet-giftige gammastraling uitzendt. Radiologen kunnen het hele lichaam van een patiënt scannen op tumoren of ontstekingen als gevolg van een infectie door gallium-67 in de bloedbaan te injecteren. Omdat gallium-67 zich bindt aan groepjes snelgroeiende cellen, zullen die potentiële probleemplekken verschijnen op een PET-scan of een andere scan die gevoelig is voor gammastraling. Galliumnitraat is ook effectief gebleken bij het verkleinen en doden van bepaalde soorten tumoren, en niet alleen bij het detecteren ervan.

De lucht- en ruimtevaartindustrie is al tientallen jaren enthousiast over gallium. Alle hoogwaardige zonnepanelen die satellieten en langeafstandsruimtevaartuigen van stroom voorzien, zijn gemaakt met galliumarsenide, inclusief de cruciale zonnepanelen op de Mars Exploration Rovers. Bij topprestaties zouden de op gallium gebaseerde zonnecellen van de Mars-rovers 900 wattuur aan energie per Mars-dag kunnen produceren.

Dat is cool

Wanneer je precieze hoeveelheden gallium, indium en tin combineert, krijg je een metaallegering die daadwerkelijk smelt bij -19 graden Celsius. Dit vloeibare metaal, bekend onder de merknaam Galistan, is een niet-giftige vervanger voor kwik in thermometers.

Veel beantwoorde vragen

Is gallium zeldzaam of gebruikelijk?

Gallium is een relatief zeldzaam element, met een overvloed van ongeveer 19 ppm in de continentale korst van de aarde.