镓的沸点高达2204℃,却能在人的手中熔化

镓的沸点高达2204℃,却能在人的手中熔化

镓是一种稀有的银白色元素,也是元素周期表上最酷的元素之一。在室温下,镓是一种闪亮的金属固体,类似于纯铝。但如果你把它握在手里几分钟,这个固态金属块就会开始融化。

是的,镓的熔点只有29.8℃,这意味着它会在你灼热的小手中融化成一个镜子般的水面。液态的镓看起来很像汞,但镓不像汞那样有毒,所以使用起来更安全。

镓也是LED灯的关键原料,也是智能手机中强大微芯片的关键半导体材料。唯一阻止镓在电子世界占据主导地位的原因是它比硅稀有又昂贵。

门捷列夫预言了镓的存在

纯镓在自然界中并不以闪亮的元素形式存在。它需要通过多步化学过程从铝土矿等矿物中提取。根据美国地质调查局(U.S. Geological Survey)的数据,地壳中镓的含量仅为百万分之19(相比之下,硅的含量为百万分之282,000)。第一个分离并确认镓为新元素的人是法国化学家保罗-埃米尔·勒科·德·博伊斯博德伦(Paul-Emile Lecoq de Boisbaudran)。他将其命名为镓,以法国的拉丁名称“Gallia”命名。

但在博伊斯博德伦发现镓的4年前,著名的俄罗斯化学家德米特里·门捷列夫(Dmitri Mendeleev)就预言了镓的存在。被称为“元素周期表之父”的门捷列夫发现,在元素周期表中,铝后面有一个缺口,于是他推断,一种被他称为“类铝”的缺失元素,具有铝的许多特性,但原子结构不同。

门捷列夫是对的,但他不可能预测到镓不同寻常的特性——介于金属和非金属之间,这种特性使其成为现代电子器件的理想材料。

一个有身份危机的元素

关于镓,还有一个很酷也有些奇怪的事实:它在29.8℃就会融化,但要到灼热的华氏2204℃才会沸腾。这使镓成为液态时间最长的元素。但是为什么会这样呢?

“镓令人困惑,”宾夕法尼亚大学的化学教授丹尼尔·明迪奥拉(Daniel Mindiola)说, “它在很低的温度下熔化,这与轻元素相一致,但它在很高的温度下沸腾,这与很重的元素相一致。镓不知道它想成为金属还是非金属。”

镓的双重个性源于它在元素周期表中的位置,被称为“类金属”和“后过渡金属”。 明迪奥拉说,镓排在铝之后,但它的原子比铝更“独立”,而且铝的“正电性”更强,这是真正的金属的特点。

和硅一样,镓也是电的良导体,但导电能力不强。这就是为什么这两种金属都是半导体的主要选择,因为半导体需要控制电流的流动。

“镓实际上是理想的半导体材料,甚至比硅更好,”明迪奥拉说。“问题是它很罕见,所以很贵。”

按照目前的制造工艺,最受欢迎的镓基半导体材料砷化镓晶片的价格大约是硅晶片的1000倍。

电子设备里有镓

尽管镓比硅贵得多,但它已经成为最新一代智能手机中很受欢迎的半导体材料。智能手机通过使用射频(RF)芯片的蜂窝数据网络进行通信,而使用砷化镓制造的射频芯片比硅释放的热量少,而且可以在更高的频段工作,这是5G网络的要求。据美国地质调查局称,美国消耗的镓中有70%多一点用于制造射频芯片和其他类型的集成电路。

但镓最酷的应用之一是用于发光二极管(led),它现在被广泛应用于从电脑显示器到交通灯再到豪华汽车的大灯。led之所以如此受欢迎,是因为它们能将电能直接转化为光,效率极高。第一个可见光led是在20世纪60年代早期发明的,当时通用电气(General Electric)的研究人员发现了用各种镓合金(镓、砷、氮、磷和其他元素的组合)制成的二极管的独特特性。

在二极管中,电子通过两层半导体材料,一层带正电荷,另一层带负电荷。当来自负极的自由电子填满正极的“空穴”时,它们释放出光子作为副产品。科学家们发现,不同的镓合金会发射出不同可见光频率的光子。砷化镓和磷化镓产生红色、橙色和黄色的光,而氮化镓产生蓝光。

明迪奥拉说:“只要给LED通电,它就会像圣诞树一样亮起来。”

发光二极管不仅能在通电时发光,而且这个过程可以逆转。太阳能电池内部的特殊二极管也是由基于镓的半导体制成的。它们把入射的光分离成自由电子和“空穴”,产生的电压可以作为电能储存在电池中。

镓的其他妙用

“医学也开始使用镓来检测和治疗某些类型的癌症,”明迪奥拉a说。“镓-67会被复制速度比正常更快的细胞所吸引,这就是肿瘤发生的情况。”

镓-67是镓的一种放射性同位素,能释放无毒的伽马射线。放射科医生可以通过向患者血液中注射镓-67来扫描患者的全身肿瘤或感染引起的炎症。由于镓-67与快速生长的细胞团结合,这些潜在的问题点会在PET扫描或任何其他对伽马射线敏感的扫描上显示出来。硝酸镓还显示出在缩小和杀死某些类型的肿瘤方面的有效性,而不仅仅是检测它们。