Галій – метал, що тане в руці
- Ігор Сальниченко
- 23 черв.
- Читати 11 хв
Уявіть собі ложку з металу, яка розчиняється у чашці гарячого чаю. Саме так поводиться галій – хімічний елемент, твердий метал при кімнатній температурі, але з температурою плавлення лише +29,76 °C[1]. Він настільки «м’який» до нагрівання, що може плавитися просто на долоні від тепла людського тіла[2]. Водночас цей самий галій є критичним компонентом сучасної електроніки – від напівпровідникових чипів до сонячних панелей і лазерних діодів, які працюють при високих температурах[3]. Чим же пояснюються такі парадоксальні властивості галію і як науковці їх використовують?
Аномальні фізичні властивості галію
Низька точка плавлення. Галій привертає увагу своєю незвично низькою температурою плавлення – 29,76 °C[1]. Для порівняння, його «сусіди» в періодичній системі, алюміній та індій, плавляться при 660 °C та 156 °C відповідно[2][1]. Галій фактично плавиться в руках: достатньо нагріти зразок до температури людського тіла (~37 °C), і метал переходить у рідкий стан, утворюючи сріблясто-білу блискучу рідину[2]. На вигляд рідкий галій нагадує ртуть, однак на відміну від ртуті, він нетоксичний, тож його безпечніше тримати в руках[2] (хоча галій може залишати темні плями на шкірі).
«Метал-молекула»: кристалічна структура. Чому ж галій плавиться так легко? Секрет – у його унікальній кристалічній структурі.Атоми галію в твердому стані об’єднуються в своєрідні парні «молекули» Ga₂: кожен атом міцно зв’язаний лише з одним сусіднім атомом, утворюючи диполі. Ці димерні пари впаковані в кристалі не надто щільно – між ними залишаються більші відстані до інших сусідів[4]. У результаті тверда решітка галію має відносно низьку енергію зв’язку. Коли ви нагріваєте галій і ці парні зв’язки розриваються, атоми отримують більше ступенів свободи, і ентропія різко зростає. Простими словами, твердий галій при плавленні втрачає впорядкованість «танцюючих у парах» атомів, що сприяє легкому переходу в рідину. Це і пояснює його аномально низьку температуру плавлення[3] – елемент плавиться раніше, ніж очікувалося, оскільки розпад димерів приносить велику вигоду у вигляді хаотичного, високентропійного рідкого стану.
Розширення при замерзанні. Ще одна рідкісна властивість галію – при переході назад у твердий стан він розширюється, замість того щоб стискатися. Об’єм галію збільшується приблизно на 3,1% під час кристалізації. Рідкий галій має густину близько 6,10 г/см³, а твердий – лише 5,91 г/см³. Таким чином, тверда грудочка галію плаває в своєму розплаві подібно до того, як крижинка плаває на воді. Вода добре відома цим ефектом (при замерзанні її об’єм збільшується приблизно на 9%), але для металів це майже нечувано. Окрім галію, лише небагато речовин поводяться так само, наприклад, бісмут (≈3,3% розширення) та кремній з германієм[4]. Натомість більшість металів, як-от ртуть або залізо, навпаки стискаються при затвердінні (ртуть зменшує об’єм ~на 3,6% при замерзанні)[7]. Через цю аномалію з галієм треба поводитися обережно: якщо залити розплавлений метал у скляну посудину та охолодити, він може розірвати її зсередини. До того ж галій сильно пристає до більшості матеріалів (в тому числі скла), тож після затвердіння його важко відокремити. Саме тому зразки галію зберігають у полімерних ємностях, поміщених у додатковий контейнер, щоб уникнути пошкоджень[4].
Рекордно широкий рідкий діапазон. Якщо охолодити галій до замерзання непросто, то кип’ятити – ще важче. Температура кипіння галію становить приблизно 2400 °C, що майже у 80 разів вище за температуру плавлення! Іншими словами, галій залишається рідким у колосальному інтервалі ~2000 °C – від температури трохи вище кімнатної до червоного розжарення, близького до температури лави[1]. За відносною шкалою (відношення Tкип/Tплав) це найбільший діапазон рідкого стану серед усіх елементів[4][2]. Наприклад, ртуть переходить у газ уже при ~357 °C, а більшість металів мають вужчий температурний «коридор» між плавленням і кипінням. Виходить своєрідний «роздвоєний характер» галію: за температурою плавлення він поводиться як легкий елемент, а за температурою кипіння – як дуже важкий метал. «Галій ніби не може вирішити, чи він метал, чи неметал», – жартують хіміки. Звідси і багато його особливостей: галій належить до постперехідних металів на межі з металоїдами, деякі його властивості (наприклад, невисока електропровідність) не типові для доброго металу[2], про що далі.
Суперохолодження. Цікавий наслідок великої різниці між рідким і твердим галієм – схильність до переохолодження. Розплав галію можна остудити нижче точки замерзання і він не кристалізується, доки не з’явиться центр кристалізації. У надчистих умовах рідкий галій здатен залишатися незатверділим навіть при 0 °C[1] – це на 30 градусів нижче його нормальної точки плавлення! Щоб викликати кристалізацію, достатньо додати «насіння» – крихітний твердий кристал галію, який запускає процес[4]. Подібні трюки спостерігають і з переохолодженою водою, але галій демонструє це явище навіть без особливих лабораторних хитрощів.
Таблиця: порівняння властивостей галію з іншими металами
Наведемо ключові фізичні характеристики галію у порівнянні з деякими іншими металами (ртуттю, бісмутом та алюмінієм). Галій разюче відрізняється низькою температурою плавлення і незвичним збільшенням об’єму при твердінні:
Властивість | Галій (Ga) | Ртуть (Hg) | Вісмут (Bi) | Алюміній (Al) |
Атомний номер | 31 | 80 | 83 | 13 |
Температура плавлення | 29,8 °C | –38,8 °C | 271,5 °C | 660,3 °C |
Температура кипіння | 2403 °C | 356,7 °C | 1564 °C | 2467 °C |
Густина (при 20 °C) | 5,91 г/см³ | 13,5 г/см³ | 9,8 г/см³ | 2,70 г/см³ |
Зміна об’єму при твердінні | +3,1% (розширення) | –3,6% (стиснення) | +3,3% (розширення) | –≈6% (стиснення)¹ |
Примітка: Алюміній під час твердіння зменшує об’єм (як і більшість металів). Точна величина залежить від температури: оцінки показують близько 6–7% стискання загалом при переході з розплаву в твердий стан.
Електронні та термодинамічні особливості
Аномалії галію беруть початок з електронної будови його атомів. Галій має електронну конфігурацію [Ar]3d¹⁰4s²4p¹. Наявність заповненої «псевдо-інертної» 3d-оболонки означає слабке екранування валентних електронів, тому атом галію сильніше притягує власні електрони, ніж легший алюміний. Висока енергія іонізації та частково ковалентний характер зв’язків проявляються у згаданому утворенні димерів Ga₂ в кристалі[4]. Фактично твердий галій можна назвати «молекулярним металом»[5] – його кристалічна решітка більше схожа на решітку йоду (I₂) чи льоду, ніж на типову металеву кубічну упаковку. Для порівняння, сусідній по групі алюміній має делокалізовані електрони і міцну металеву решітку, тому плавиться при значно вищій температурі, а ртуть, маючи схожу до галію повну d-оболонку, теж є аномально легкоплавкою (ртуть рідка за кімнатних умов)[4].
Коли галій плавиться, відбуваються цікаві трансформації на електронному рівні. У рідкому стані димерні зв’язки Ga–Ga руйнуються, і кожен атом оточує себе близько десятьма сусідами (для більшості рідких металів координація 11–12)[4]. Спершу це призводить до збільшення електропровідності – щойно розплавлений галій проводить струм навіть краще, ніж безпосередньо перед плавленням. Але за подальшого нагрівання трапляється несподіване: при дуже високих температурах у рідині галію знову починають проявлятися ковалентні зв’язки між атомами.
Сучасні комп’ютерні моделі показали, що за кількасот градусів вище точки плавлення атоми галію частково «реформують» парні зв’язки, хоча й у хаотичнішій, динамічній структурі. Це пояснює нестандартну зміну електропровідності: після початкового падіння опору (кращої провідності) відразу після плавлення, при подальшому нагріванні опір рідкого галію знову зростає нелінійно[3]. Виникнення нових зв’язків створює «вузькі місця» для вільних електронів, і тому провідність знижується. Така незвична термоелектрична поведінка відрізняє галій від типових металів, у яких електричний опір зазвичай плавно зростає з температурою.
З точки зору теплоємності та фазових переходів галій також вирізняється. При плавленні 1 грам галію поглинає близько 80 Дж енергії (прихована теплота плавлення)[6] – це порівняно велике значення, більше ніж у багатьох інших металів, що пов’язано з необхідністю розірвати ковалентні зв’язки Ga–Ga. Галій має високий показник теплоємності і теплопровідності як для елементу з невеликою масою атома: його рідкий стан добре передає тепло, хоча і не настільки ефективно, як, скажімо, мідь. Водночас, завдяки низькому тиску насиченої пари, галій можна нагрівати до дуже високих температур без значних втрат через випаровування[4] (на відміну від ртуті, яка вже при помірному нагріві помітно випаровується). Ця стабільність рідкого галію при високих температурах і великий діапазон його рідкої фази роблять його привабливим для застосувань, де потрібен рідкий метал-холодант або середовище для хімічних реакцій.
Галій в електроніці
Основна сфера застосування галію – напівпровідникова електроніка. Хоча чистий галій як провідник не перевершує мідь чи алюміній, у складі сполук він став незамінним в електронних приборах. Найвідоміший приклад – галій-арсенід (GaAs), напівпровідник, що використовується у високочастотних мікрохвильових інтегральних схемах, швидкодійних транзисторах і ІЧ-детекторах[4]. Чіпи з GaAs ефективно працюють на високих частотах (наприклад, в передавачах стандарту 5G) і виділяють менше тепла порівняно з кремнієвими аналогами. За даними Геологічної служби США, понад 70% споживаного галію йде на виробництво інтегральних схем та радіочастотних компонентів саме на основі GaAs та споріднених сполук[2].
Інший надзвичайно важливий матеріал – нітрід галію (GaN). Це напівпровідник з ширшою забороненою зоною, який витримує великі напруги і працює при високих температурах. GaN- транзистори і діоди все частіше застосовують у силовій електроніці (наприклад, у компактних зарядних пристроях для смартфонів та ноутбуків) завдяки їх високій ефективності та швидкодії[3]. Також GaN знайшов місце в радіочастотних підсилювачах для радарів і мобільних станцій – всюди, де потрібна комбінація високої частоти та високої потужності.
Варто відзначити, що напівпровідникові матеріали на основі галію значно дорожчі у виробництві, ніж традиційний кремній. Вирощування монокристалів GaAs – складний процес, і пластини з нього можуть бути в ~1000 разів дорожчими за кремнієві того ж розміру[2]. Тому галій не витіснив повністю кремній, але знайшов нішеві ролі, де переваги перевищують ціну. Сучасний смартфон, окрім кремнієвого процесора, може містити галій-арсенідні компоненти в модулі зв’язку, щоб забезпечити швидкісну передачу даних і роботу в діапазонах високих частот.
До речі, сам чистий галій іноді допомагає в технологічних процесах виробництва напівпровідників. Наприклад, крапельки розплавленого галію використовують при вирощуванні кристалів GaN і GaAs методом газофазної епітаксії – галій слугує рідкою підкладкою, що переносить необхідні атоми і відводить тепло[3]. В таких процесах дуже важливо точно знати властивості рідкого галію (в’язкість, густину, електропровідність) при різних температурах, адже навіть невеликі помилки можуть призвести до дефектів у дорогоцінних кристалах. Новітні дослідження структури рідкого галію, про які йшлося вище, якраз дають інженерам детальнішу «карту» поведінки цього металу при нагріванні[3], що допомагає оптимізувати такі виробничі процеси.
Галій у фотоніці
Прогрес у світлодіодній техніці та лазерах значною мірою став можливим завдяки галію. Сполуки галію з елементами V групи (арсен, фосфор, азот) утворюють напівпровідникові кристали, які здатні випромінювати світло різних кольорів. Перші світлодіоди, створені в 1960-х, використовували фосфід галію (GaP) та арсеніди-галію для генерації червоного і зеленого світла[2]. Справжнім проривом стало відкриття нітрид-галієвих світлодіодів: GaN та його сплав з індієм (InGaN) випромінюють яскраве синє та фіолетове світло[4]. Це дозволило створити повноколірні LED-дисплеї і, комбінуючи синє випромінювання з люмінофорами, отримати білий світ для освітлення. За розробку технології блакитних світлодіодів на нітриді галію в 2014 році було присуджено Нобелівську премію з фізики.
Галій-арсенід також використовується в лазерних діодах – компактних напівпровідникових лазерах, що стоять у приводах дисків (DVD, Blu-Ray), лазерних указках, оптичних сенсорах. Наприклад, GaAs- та GaAlAs-лазери випромінюють в червоному та ІЧ-діапазоні і були ключовими для першого CD-програвача. Сині та ультрафіолетові діоди-лазери базуються на GaN і сьогодні використовуються в високощільних оптичних носіях та біомедичних приладах. Таким чином, фотоніка – наука і техніка генерації та керування світлом – значною мірою залежить від матеріалів на основі галію.
Крім випромінювання світла, ті ж самі галієві сполуки здатні і генерувати електрику з світлового потоку. Мова йде про сонячні батареї. Найефективніші космічні сонячні елементи виготовлені не з кремнію, а з багатошарових структур на базі арсеніду галію. Такі фотоелементи мають вищий ККД та кращу термостабільність. Наприклад, сонячні панелі марсоходів Spirit і Opportunity містили GaAs-шари і генерували близько 900 Вт·год енергії за марсіанську добу[2]. Галій дозволив поглинати ширший спектр сонячного випромінювання і більш ефективно конвертувати його на електрику, що надзвичайно цінно в умовах, де кожен зайвий процент ефективності на вагу золота (буквально, зважаючи на вартість запуску в космос).
Медичне застосування галію
Галій не відіграє жодної природної біологічної ролі в організмі людини, проте медики навчилися використовувати деякі його унікальні властивості. По-перше, ізотоп галій-67 став важливим радіофармацевтичним інструментом для діагностики. Галій хімічно подібний до Fe³⁺ (іонів заліза), тому вводиться в організм у складі солей і накопичується в тканинах з активним метаболізмом – зокрема, в пухлинах і зонах запалення, де клітини швидко діляться[2]. Галій-67 випромінює гамма-кванти, які реєструються спеціальними камерами, дозволяючи «подсвітити» злоякісні новоутворення чи вогнища інфекції всередині тіла. До появи сучасних ПЕТ-сканерів та інших методів, галієве сканування було поширеним методом пошуку пухлин (особливо лімфом) і прихованих запалень. Сьогодні йому на зміну прийшов ізотоп Ga-68, що використовується в ПЕТ для високоточних тривимірних зображень – з його допомогою, наприклад, діагностують нейроендокринні пухлини.
По-друге, сполуки галію досліджуються як протиракові і антибактеріальні засоби. Галій у формі нітрату Ga(NO₃)₃ виявив цікаву властивість пригнічувати ріст деяких злоякісних клітин – він порушує метаболізм заліза, необхідного для швидкого поділу клітин, що приводить до уповільнення або загибелі пухлини[2]. Препарати на основі галію випробовували для лікування лімфом та інших новоутворень і в деяких випадках отримали позитивні результати, зменшуючи розмір пухлин. Аналогічно, бактерії для розмноження потребують заліза, і галій може їх «обдурити», заміщуючи залізо в біохімічних процесах. Галієві сполуки проявляють бактерицидний ефект проти ряду збудників, зокрема тих, що утворюють стійкі біоплівки. Це робить галій перспективним елементом у розробці нових антибіотиків та засобів проти інфекцій, стійких до традиційних ліків. Деякі дослідження вказують і на остеогенний ефект – можливість сполук галію стимулювати ріст кісткової тканини, що цікаво для лікування остеопорозу та загоєння переломів[1].
Нарешті, галій-68 згаданий вище – ключовий компонент сучасної діагностики – активно виробляється для ПЕТ-КТ у вигляді генераторів (Ga-68 отримують із ізотопу германію-68 прямо в лікарнях). Таким чином, хоч галій і не потрібен живим організмам, технології ядерної медицини зробили його союзником лікарів у виявленні та лікуванні важких хвороб.
Галій у матеріалознавстві та новітніх технологіях
Позаяк галій легко переходить у рідкий стан, але залишається нетоксичним і хімічно відносно інертним металом, він знайшов цікаві застосування в матеріалознавстві. Один із прикладів – рідкометалеві сплави на основі галію. Якщо до галію додати трохи індію та олова, утворюється сплав Галінстан (Ga-In-Sn), що плавиться вже при –19 °C[4]. Ця рідина при кімнатній температурі замінила токсичну ртуть у термометрах: галінстан безпечний при розливі і залишається рідким при морозах, дозволяючи вимірювати температуру нижче 0 °C. Такі сплави також застосовують як теплопереносники в системах охолодження, адже вони поєднують високу теплопровідність металу з рідким станом, що зручно для прокачування насосом. Наприклад, експериментальні комп’ютерні охолоджувачі використовують мікроканали з циркуляцією галієвого сплаву замість води.
Інша надзвичайна властивість рідкого галію – змочування та здатність дифундувати в метали. Галій в рідкому стані проникає в мікротріщини та межі зерен багатьох металів і утворює з ними амальгами (сплави). Через це, наприклад, алюміній у контакті з галієм втрачає міцність і стає крихким[4]. Існує популярний демонстраційний експеримент: якщо нанести трохи галію на алюмінієву бляшанку, через кілька годин стінки бляшанки перетворяться на пористу фольгу, і вона продірявиться – галій проникає в алюміній і «роз’їдає» його структуру. Це явище називається рідкометалевою крихкістю. Воно небезпечне для алюмінієвих деталей: навіть невелика кількість галію може зруйнувати цілісність алюмінієвих конструкцій, тому працюючи з галієм, важливо уникати його потрапляння на такі метали. Водночас ця здатність галію проникати в інші метали використовується на практиці: галій легко розчиняє цинк, кадмій, олово та мідь, тож його застосовують для отримання різних легкоплавких сплавів і припоїв, а також в хімічних реакціях як рідкий «розчинник» для металевих компонентів[3].
Завдяки нетоксичності та рідкому стану при кімнатній температурі, галій та його сплави досліджуються для гнучкої електроніки. Наприклад, інженери створили прототипи гнучких провідників: тонкі трубочки, заповнені галієм, які залишаються електропровідними навіть при розтягуванні і скручуванні. Рідкий метал не рветься, на відміну від твердого дроту, тому такі провідники можна вбудовувати в еластичні матеріали – отримаємо «електроніку, що розтягується», потенційно корисну в носимих гаджетах або м’яких роботах. Рідкий галій також пропонують як основу для самовідновлюваних схем: якщо схема розірветься, галій стече і замкне розрив, відновивши провідність. Подібно в акумуляторних батареях тонкі плівки галієвих сплавів використовують для заповнення тріщин в електродах, що виникають при циклах заряд-розряд – це подовжує життя батареї, «загоюючи» її внутрішні пошкодження[3].
Галій привертає увагу і як каталізатор в органічному синтезі. Рідкометалеві галієві сплави здатні вибірково направляти хімічні реакції, виступаючи своєрідною динамічною поверхнею для реагентів. Наприклад, додаючи галій до певних реакцій, хіміки досягають більш «зеленого» перебігу процесу – зі зменшенням побічних продуктів і енергетичних витрат[3]. Це новий напрямок досліджень, який поєднує матеріалознавство та хімічну інженерію.
Нарешті, варто згадати про видобування галію та його ресурси, адже цей елемент не утворює власних руд. Галій отримують як побічний продукт при виробництві алюмінію (з бокситів) та цинку[3]. Світове виробництво галію становить лише кількасот тонн на рік, що порівняно мало. Зростання попиту на галій для напівпровідників – світлодіодів, мікросхем, сонячних батарей – змушує інженерів шукати шляхи економити цей метал. Вивчаються нові сплави і матеріали, де частина галію замінена на дешевші елементи, але без втрати корисних властивостей[3]. Такі розробки допоможуть знизити залежність від обмежених ресурсів галію у майбутньому.
Висновок
Галій – яскравий приклад того, як несподівані властивості елементів можуть знайти застосування в науці і техніці. Метал, що гне столові ложки без телепатії (а просто від теплоти рук), водночас став ключем до блакитного світлодіода і швидкісного інтернету 5G. Його атоми, немов непостійні танцюристи, утворюють пари в твердому тілі, розходяться у вільному танці в рідині і знову беруться за «руки» при високій температурі – і все це відкриває двері до нових технологій. Від популярних жартів із плавленням галієвих ложок до передових розробок гнучких схем та медичних діагностичних препаратів – галій демонструє, наскільки дивовижним і корисним може бути світ хімічних елементів[3]. Це метал, що ламає шаблони, і в буквальному, і в переносному сенсі, прокладаючи шлях до нових наукових відкриттів.
Список використаних джерел:
Gallium // Encyclopaedia Britannica. Last updated: May 31, 2025. [Електронний ресурс]. – Режим доступу: https://www.britannica.com/science/gallium
Roos D. Gallium Boils at 4,044 Degrees F, But Will Also Melt in Your Hand // HowStuffWorks. – Updated: Jun 9, 2023. [Електронний ресурс]. – Режим доступу: https://science.howstuffworks.com/gallium.htm
Ralls E. Previously unknown properties discovered in a metal that is crucial to modern life // Earth.com. – 19.06.2025. [Електронний ресурс]. – Режим доступу: earth.com
Gallium // Wikipedia: The Free Encyclopedia. [Електронний ресурс]. – Режим доступу: https://en.wikipedia.org/wiki/Gallium
Gaston N., Parker A.J. On the bonding of Ga₂, structures of Gaₙ clusters and the relation to the bulk structure of gallium // Chemical Physics Letters. – 2011. – Vol. 501, Issues 4–6. – P. 375–378. – [Електронний ресурс]. – Режим доступу: https://doi.org/10.1016/j.cplett.2010.11.073
U.S. Department of Commerce. Gallium Melting-Point Standard. – NBS Special Publication 483. – National Bureau of Standards, 1977. – [Електронний ресурс]. – Режим доступу: nvlpubs.nist.gov
NANO3D SYSTEMS LLC. Mercury (Hg⁸⁰): Properties and Applications. – Corvallis, Oregon: NANO3D Systems, [б.р.]. – [Електронний ресурс]. – Режим доступу: nano3dsystems.com
コメント