Vědci konečně vyřešili 150 let starou záhadu gallia

Foto: Shutterstock

Nový pohled na gallium

Vědci objevili skryté chování gallia, které převrací desetiletí učebnicové vědy a může otevřít nové možnosti pro vysoce technologické aplikace. Tento objev mění způsob, jakým výzkumníci vysvětlují, proč se tento kov tak snadno taví a chová se jinak než téměř jakýkoli jiný kov. Kromě vyřešení dlouhodobé vědecké záhady by tato práce mohla vést k pokrokům v polovodičích, nanotechnologiích a inženýrství kapalných kovů.

Autor původního článku: redakce

Neobvyklé vlastnosti gallia

Po téměř 150 letech od objevu gallia vědci z University of Auckland odhalili dosud neznámé detaily o atomové struktuře a chování tohoto kovu. Gallium bylo objeveno v roce 1875 francouzským chemikem Paulem Émile Lecoq de Boisbaudranem. Je známé svou neobvykle nízkou teplotou tání, která umožňuje, aby lžička z gallia roztála v šálku horkého čaje. Tento kov také hraje klíčovou roli v polovodičích a mnoha moderních elektronických technologiích.

Nově publikované poznatky se zaměřují na to, jak se gallium chová na atomové úrovni, odhalujíc vlastnosti, které zpochybňují desetiletí vědeckého porozumění.

Gallium a jeho atomové chování

Gallium se již odlišuje od většiny kovů v několika ohledech. Jeho atomy se přirozeně párují do ‚dimerů‘, což znamená, že existují jako vázané páry. Je také jednou z mála látek, které jsou méně husté jako pevná látka než jako kapalina, podobně jako led plovoucí na vodě. Další neobvyklou vlastností je, že gallium tvoří ‚kovalentní vazby‘, při kterých atomy sdílejí elektrony. Tento typ vazby je mnohem běžnější u nekovů než u kovů.

Vědci dlouho věřili, že tyto kovalentní vazby mizí, když gallium taje. Nová studie však zjistila, že ačkoli vazby mizí při bodu tání, nečekaně se vracejí, když je kapalina zahřáta na ještě vyšší teploty. Tento objev převrací dlouho přijímaný předpoklad a naznačuje nové vysvětlení pro pozoruhodně nízkou teplotu tání gallia.

Výzkumníci navrhují, že když se vazby rozpadnou, výsledné zvýšení entropie, což je míra neuspořádanosti, uvolňuje atomy a usnadňuje tání.

Revidování desetiletí výzkumu

Studii vedla Dr. Steph Lambie, nyní postdoktorandka na Max Planck Institute for Solid State Research v Německu, spolu s profesorkou Nicolou Gaston a Dr. Kristou Steenbergen z Victoria University of Wellington a MacDiarmid Institute. Průlom nastal, když Lambie dokončovala doktorát na University of Auckland a MacDiarmid Institute. Pečlivým přezkoumáním desetiletí publikovaného výzkumu a porovnáním měření při různých teplotách Lambie sestavila úplnější obraz chování gallia.

Výsledky byly publikovány v časopise Materials Horizons v článku nazvaném „Resolving Decades of Debate: The Surprising Role of High-Temperature Covalency in the Structure of Liquid Gallium.“

Význam porozumění galliu

Lepší porozumění tomu, jak se gallium mění s teplotou, by mohlo být přínosem pro nanotechnologie, kde výzkumníci manipulují s hmotou na extrémně malých škálách, aby vytvořili nové materiály se specializovanými vlastnostmi. Gallium je také cenné, protože může rozpouštět jiné kovy, což je užitečné pro výrobu katalyzátorů z kapalných kovů a ‚samouspořádávajících se struktur‘, ve kterých se neuspořádané materiály spontánně organizují do uspořádaných forem.

V dřívějším projektu Gaston, Lambie a Steenbergen použili kapalné gallium k krystalizaci zinku do složitých ‚sněhových vloček‘.

Od předpovězeného prvku k moderní technologii

Gallium bylo předpovězeno ještě před svým objevem. V roce 1871 ruský chemik Dmitrij Mendělejev vytvořil první periodickou tabulku uspořádáním prvků podle rostoucích atomových čísel a úmyslně nechal prázdná místa pro prvky, o nichž věřil, že ještě nebyly objeveny. Gallium později zaplnilo jednu z těchto předpovězených mezer.

Kov se těží z minerálů a hornin, jako je bauxit, a nevyskytuje se přirozeně ve své čisté formě. Dnes je gallium široce používáno v polovodičích, telekomunikačním zařízení, LED, laserových diodách, solárních panelech, vysoce výkonných počítačích, leteckém a obranném průmyslu a jako bezpečnější alternativa k rtuti v teploměrech.

Výzkumníci také zkoumají, zda by gallium mohlo pomoci identifikovat známky dávného života na Marsu. Vědci na University’s School of Environment a Te Ao Mārama — Centre for Fundamental Inquiry studují, zda kov může uchovat stopy minulého mikrobiálního života jako chemický ‚otisk‘.

Jméno gallium pochází z Gaul, starověkého latinského názvu pro Francii, na počest národnosti jeho objevitele.

Mohlo by vás zajímat

• Malé magnetické vlny by mohly odemknout kvantové počítače velikosti mince
• Miliony explodujících hvězd by mohly brzy odhalit tajemství temné energie
• Fyzici vytvořili nový zvláštní kvantový stav nazvaný frakční Fermiho moře

Původní článek: Scientists finally solved a 150-year-old gallium mystery