科學家終於解開了150年的鎵之謎

鎵於 1875 年由法國化學家 Paul Émile Lecoq de Boisbaudran 發現。它以其異常低的熔點而聞名，可以讓一匙鎵在熱茶中融化。金屬在半導體和許多現代電子技術中發揮重要作用。

新報告的發現探討了鎵在原子層次上的行為，揭示了挑戰數十年科學認識的特性。

一種具有更罕見原子行為的稀有金屬

鎵已經在幾個方面從大多數金屬中脫穎而出。它的原子自然地以“二聚體”形式配對，這意味著它們以鍵合對的形式存在。它是少數固體密度低於液體密度的物質之一，就像漂浮在水面上的冰一樣。

另一個不尋常的特徵是鎵形成“共價鍵”，其中原子共享電子。這種類型的黏合在非金屬中比在金屬中更常見。

科學家長期以來一直認為，當鎵熔化時，這些共價鍵就會消失。然而，新研究發現，雖然這些鍵在熔點時消失，但當液體被加熱到更高的溫度時，它們會意外地恢復。

這項發現推翻了長期以來的假設，並為鎵的熔點極低提出了新的解釋。研究人員提出，當鍵斷裂時，由此產生的熵（無序程度的衡量標準）的增加會鬆開原子並促進熔化。

「三十年來有關液態鎵結構的文獻有一個基本假設，但顯然是不正確的，」奧克蘭大學懷帕帕·陶馬塔·勞和麥克迪阿米德先進材料與奈米技術研究所的尼古拉·加斯頓教授說。

回顧數十年的研究

這項研究由德國馬克斯普朗克固體研究所博士後研究員Steph Lambie博士、威靈頓維多利亞大學和MacDiarmid研究所的Nicola Gaston教授和Krista Steenbergen博士進行。

這項突破是在蘭比在奧克蘭大學和麥克迪阿米德研究所攻讀博士學位時實現的。透過仔細回顧數十年已發表的研究並比較在不同溫度下收集的測量結果，蘭比對鎵的行為有了更完整的了解。

研究結果發表於 材料視野 在題為“解決數十年的爭論：高溫共價在液態鎵結構中的令人驚訝的作用”的論文中。

為什麼要了解鎵的重要性

更了解鎵如何隨溫度變化可能有利於奈米技術，研究人員在很小的範圍內操縱物質來創造具有特殊性能的新材料。

鎵也很有價值，因為它可以溶解其他金屬，使其可用於液態金屬催化劑和生產“自組裝結構”，其中無序材料自組織成有序形式。

在先前的專案中，加斯頓、蘭比和斯滕貝根使用液態鎵將鋅結晶成複雜的「雪花」結構。

從可預測的元素到現代技術

這是在鎵被發現之前就被預測到的。 1871年，俄羅斯化學家德米特里·門捷列夫按照原子序數遞增的順序排列元素，並故意為尚未發現的元素留出空白，從而創建了第一個元素週期表。加里奧後來填補了這些預期的空白之一。

這種金屬是從鋁土礦等礦物和岩石中提取的，並不是天然存在的。如今，鎵廣泛應用於半導體、電信設備、LED、雷射二極體、太陽能電池板、高效能運算、航空航太和國防工業，並且作為溫度計中汞的更安全替代品。

研究人員正在研究鎵是否可以幫助識別火星上古代生命的跡象。該大學環境學院和 Te Ao Mārama 基礎研究中心的科學家正在研究金屬是否可以將過去微生物生命的痕跡儲存為化學「指紋」。

加利奧（Gallio）這個名字來自高盧（Gaul），這是法國的古拉丁語名稱，以紀念發現者的國籍。