Gali là một nguyên tố hiếm, có màu trắng bạc, có thể tạo ra một trong những thủ thuật tuyệt vời nhất trong bảng tuần hoàn. Ở nhiệt độ phòng, gali là một chất rắn kim loại sáng bóng giống như nhôm nguyên chất. Nhưng hãy cầm nó trên tay trong vài phút và khối kim loại rắn chắc này bắt đầu tan chảy.
Đúng vậy, điểm nóng chảy của gali chỉ là 29,8 độ C, có nghĩa là nó tan chảy thành một vũng nước như gương trong bàn tay nhỏ bé nóng bỏng của bạn. Ở dạng lỏng, gali trông rất giống thủy ngân, nhưng gali không độc như thủy ngân nên sẽ an toàn hơn khi xử lý (mặc dù nó có thể làm ố da của bạn).
Nhưng gali không chỉ là thức ăn gia súc cho các video của YouTuber trong tay bạn. Nó cũng là thành phần quan trọng trong đèn LED và vật liệu bán dẫn dành cho các vi mạch mạnh mẽ trong điện thoại thông minh của bạn. Điều duy nhất ngăn gali chiếm lĩnh thế giới điện tử là nó rất hiếm và rất đắt so với silicon.
Nhưng bốn năm trước khi phát hiện ra Boisbaudran, nhà hóa học nổi tiếng người Nga Dmitri Mendeleev đã tiên đoán về sự tồn tại của gali . Mendeleev, được gọi là “cha đẻ của bảng tuần hoàn”, nhận thấy rằng có một khoảng trống trong bảng sau nhôm, vì vậy ông đã đặt ra rằng một nguyên tố còn thiếu mà ông gọi là “eka-nhôm” sẽ mang nhiều tính chất của nhôm, nhưng với một cấu trúc nguyên tử khác.
Mendeleev đã đúng, nhưng ông không thể dự đoán được làm thế nào mà những tính chất bất thường của gali – ở đâu đó giữa kim loại và phi kim – lại khiến nó trở nên lý tưởng cho các thiết bị điện tử hiện đại.
Có một sự nhầm lẫn về nhiệt độ nóng chảy và nhiệt độ sôi Gallium. Nó nóng chảy ở nhiệt độ thấp, phù hợp với nguyên tố nhẹ, nhưng lại sôi ở nhiệt độ rất cao, phù hợp với nguyên tố rất nặng. Có nghĩa là không có sự phân biể rõ ràng về tính chất kim loại hay phi kim của Gali.
Tính cách kép của gali bắt nguồn từ việc nó nằm trong bảng tuần hoàn giữa hai nhóm được gọi là kim loại và kim loại sau chuyển tiếp. Một đặc điểm của kim loại thật là gali đứng hàng thứ hai sau nhôm, nhưng các nguyên tử của nó độc lập hơn nhiều so với nhôm.
Giống như silicon, gali là chất dẫn điện tốt, nhưng không phải là chất dẫn điện tuyệt vời. Đó là điều khiến cả hai ứng cử viên kim loại này trở thành ứng cử viên hàng đầu cho chất bán dẫn, nơi dòng điện cần được kiểm soát. Nó thực sự là vật liệu bán dẫn lý tưởng, thậm chí còn tốt hơn silicon. Nhưng vấn đề là nó hiếm, và rất đắt. Sử dụng các quy trình sản xuất hiện tại với một tấm wafer gali arsenide, vật liệu bán dẫn phổ biến nhất dựa trên gali, đắt hơn khoảng 1.000 lần so với tấm wafer silicon.
Nhưng một trong những ứng dụng tuyệt vời nhất của gali là trong điốt phát quang (đèn LED), hiện được sử dụng trong mọi thứ từ màn hình máy tính đến đèn giao thông đến đèn pha xe hơi sang trọng. Đèn LED rất phổ biến vì chúng siêu tiết kiệm, chuyển đổi điện năng trực tiếp thành ánh sáng. Các đèn LED ánh sáng nhìn thấy đầu tiên được phát minh vào đầu những năm 1960 khi các nhà nghiên cứu tại General Electric khám phá ra các đặc tính độc đáo của điốt được làm bằng các hợp kim khác nhau của gali (sự kết hợp của gali, asen, nitơ, phốt pho và các nguyên tố khác).
Trong một diode, các electron di chuyển qua hai lớp vật liệu bán dẫn, một lớp mang điện tích dương và lớp còn lại mang điện tích âm. Khi các electron tự do từ phía âm lấp đầy các “lỗ trống” ở phía dương, chúng phát ra một photon ánh sáng như một sản phẩm phụ . Các nhà khoa học đã phát hiện ra rằng các hợp kim gali khác nhau phát ra các photon có tần số ánh sáng nhìn thấy khác nhau. Gali arsenide và gallium phosphide tạo ra ánh sáng đỏ, cam và vàng, trong khi gallium nitride tạo ra ánh sáng xanh lam. Chỉ cần đặt dòng điện vào đèn LED và nó sẽ sáng lên rực rỡ.
Đèn LED không chỉ tạo ra ánh sáng khi kết nối với điện, mà quá trình này có thể được đảo ngược. Các điốt đặc biệt bên trong pin mặt trời cũng được làm bằng chất bán dẫn dựa trên gali. Chúng thu nhận ánh sáng tới và phân tách nó thành các electron tự do và các lỗ trống, tạo ra điện áp có thể được lưu trong pin dưới dạng điện năng.
Gali-67 là một đồng vị phóng xạ của gali phát ra tia gamma không độc. Các bác sĩ X quang có thể quét toàn bộ cơ thể bệnh nhân để tìm các khối u hoặc chứng viêm do nhiễm trùng bằng cách tiêm gali-67 vào máu của họ. Vì gali-67 liên kết với các đám tế bào phát triển nhanh, những điểm rắc rối tiềm ẩn đó sẽ hiển thị trên bản chụp PET hoặc bất kỳ bản quét nào khác nhạy cảm với tia gamma. Gali nitrat cũng cho thấy hiệu quả trong việc thu nhỏ và tiêu diệt một số loại khối u chứ không chỉ phát hiện ra chúng.
Ngành công nghiệp hàng không vũ trụ đã trở nên sôi nổi hơn về gali trong nhiều thập kỷ. Tất cả các tấm pin mặt trời cao cấp cung cấp năng lượng cho các vệ tinh và tàu vũ trụ tầm xa đều được làm bằng gallium arsenide, bao gồm cả các tấm pin mặt trời quan trọng trên Tàu thăm dò sao Hỏa. Ở hiệu suất cao nhất, pin mặt trời dựa trên gali trên tàu lượn trên sao Hỏa có thể tạo ra năng lượng 900 watt mỗi ngày trên sao Hỏa.
Khi bạn kết hợp một lượng chính xác gali, indium và thiếc, bạn sẽ có được một hợp kim kim loại thực sự nóng chảy ở -19 độ C. Kim loại lỏng này, được biết đến với tên thương hiệu Galistan, là chất thay thế không độc hại cho thủy ngân trong nhiệt kế.
Đúng vậy, điểm nóng chảy của gali chỉ là 29,8 độ C, có nghĩa là nó tan chảy thành một vũng nước như gương trong bàn tay nhỏ bé nóng bỏng của bạn. Ở dạng lỏng, gali trông rất giống thủy ngân, nhưng gali không độc như thủy ngân nên sẽ an toàn hơn khi xử lý (mặc dù nó có thể làm ố da của bạn).
Nhưng gali không chỉ là thức ăn gia súc cho các video của YouTuber trong tay bạn. Nó cũng là thành phần quan trọng trong đèn LED và vật liệu bán dẫn dành cho các vi mạch mạnh mẽ trong điện thoại thông minh của bạn. Điều duy nhất ngăn gali chiếm lĩnh thế giới điện tử là nó rất hiếm và rất đắt so với silicon.
Sự tồn tại của Gallium
Gali nguyên chất không tồn tại ở dạng nguyên tố sáng bóng trong tự nhiên. Nó cần được chiết xuất từ các khoáng chất như bauxite thông qua một quá trình hóa học nhiều bước. Sự phong phú của gali trong vỏ Trái đất là 19 phần triệu (so sánh với silicon là 282.000 phần triệu). Người đầu tiên phân lập và công nhận gali như một nguyên tố mới là nhà hóa học người Pháp Paul-Emile Lecoq de Boisbaudran vào năm 1875. Ông đặt tên nó là gali theo tên Latinh của Pháp là Gallia.Nhưng bốn năm trước khi phát hiện ra Boisbaudran, nhà hóa học nổi tiếng người Nga Dmitri Mendeleev đã tiên đoán về sự tồn tại của gali . Mendeleev, được gọi là “cha đẻ của bảng tuần hoàn”, nhận thấy rằng có một khoảng trống trong bảng sau nhôm, vì vậy ông đã đặt ra rằng một nguyên tố còn thiếu mà ông gọi là “eka-nhôm” sẽ mang nhiều tính chất của nhôm, nhưng với một cấu trúc nguyên tử khác.
Mendeleev đã đúng, nhưng ông không thể dự đoán được làm thế nào mà những tính chất bất thường của gali – ở đâu đó giữa kim loại và phi kim – lại khiến nó trở nên lý tưởng cho các thiết bị điện tử hiện đại.
Yếu tố có khủng hoảng nhận dạng
Đây là một sự thật thú vị và có phần kỳ lạ khác về gali: Trong khi nó tan chảy chỉ ở 29,8 độ C, nó không sôi cho đến khi nung ở 2.204 độ C). Điều đó mang lại cho kỷ lục mới cho gali vì đã duy trì pha lỏng lâu nhất của bất kỳ nguyên tố nào. Nhưng tại sao điều đó lại xảy ra?Có một sự nhầm lẫn về nhiệt độ nóng chảy và nhiệt độ sôi Gallium. Nó nóng chảy ở nhiệt độ thấp, phù hợp với nguyên tố nhẹ, nhưng lại sôi ở nhiệt độ rất cao, phù hợp với nguyên tố rất nặng. Có nghĩa là không có sự phân biể rõ ràng về tính chất kim loại hay phi kim của Gali.
Tính cách kép của gali bắt nguồn từ việc nó nằm trong bảng tuần hoàn giữa hai nhóm được gọi là kim loại và kim loại sau chuyển tiếp. Một đặc điểm của kim loại thật là gali đứng hàng thứ hai sau nhôm, nhưng các nguyên tử của nó độc lập hơn nhiều so với nhôm.
Giống như silicon, gali là chất dẫn điện tốt, nhưng không phải là chất dẫn điện tuyệt vời. Đó là điều khiến cả hai ứng cử viên kim loại này trở thành ứng cử viên hàng đầu cho chất bán dẫn, nơi dòng điện cần được kiểm soát. Nó thực sự là vật liệu bán dẫn lý tưởng, thậm chí còn tốt hơn silicon. Nhưng vấn đề là nó hiếm, và rất đắt. Sử dụng các quy trình sản xuất hiện tại với một tấm wafer gali arsenide, vật liệu bán dẫn phổ biến nhất dựa trên gali, đắt hơn khoảng 1.000 lần so với tấm wafer silicon.
Có Gali trong điện thoại thông minh của bạn
Mặc dù gali đắt hơn nhiều so với silicon, nhưng nó vẫn trở thành vật liệu bán dẫn phổ biến trong các thế hệ điện thoại thông minh mới nhất. Điện thoại thông minh giao tiếp với mạng dữ liệu di động bằng chip tần số vô tuyến (RF) và chip RF được làm bằng arsenide gali tỏa ra ít nhiệt hơn silicon và có thể hoạt động ở dải tần số cao hơn, một yêu cầu đối với mạng 5G. Theo USGS, hơn 70% tổng lượng gali tiêu thụ ở Mỹ được sử dụng để sản xuất chip RF và các loại mạch tích hợp khác .Nhưng một trong những ứng dụng tuyệt vời nhất của gali là trong điốt phát quang (đèn LED), hiện được sử dụng trong mọi thứ từ màn hình máy tính đến đèn giao thông đến đèn pha xe hơi sang trọng. Đèn LED rất phổ biến vì chúng siêu tiết kiệm, chuyển đổi điện năng trực tiếp thành ánh sáng. Các đèn LED ánh sáng nhìn thấy đầu tiên được phát minh vào đầu những năm 1960 khi các nhà nghiên cứu tại General Electric khám phá ra các đặc tính độc đáo của điốt được làm bằng các hợp kim khác nhau của gali (sự kết hợp của gali, asen, nitơ, phốt pho và các nguyên tố khác).
Trong một diode, các electron di chuyển qua hai lớp vật liệu bán dẫn, một lớp mang điện tích dương và lớp còn lại mang điện tích âm. Khi các electron tự do từ phía âm lấp đầy các “lỗ trống” ở phía dương, chúng phát ra một photon ánh sáng như một sản phẩm phụ . Các nhà khoa học đã phát hiện ra rằng các hợp kim gali khác nhau phát ra các photon có tần số ánh sáng nhìn thấy khác nhau. Gali arsenide và gallium phosphide tạo ra ánh sáng đỏ, cam và vàng, trong khi gallium nitride tạo ra ánh sáng xanh lam. Chỉ cần đặt dòng điện vào đèn LED và nó sẽ sáng lên rực rỡ.
Đèn LED không chỉ tạo ra ánh sáng khi kết nối với điện, mà quá trình này có thể được đảo ngược. Các điốt đặc biệt bên trong pin mặt trời cũng được làm bằng chất bán dẫn dựa trên gali. Chúng thu nhận ánh sáng tới và phân tách nó thành các electron tự do và các lỗ trống, tạo ra điện áp có thể được lưu trong pin dưới dạng điện năng.
Các ứng dụng tuyệt vời khác của Gali
Y học cũng đang bắt đầu sử dụng gali để phát hiện và điều trị một số loại ung thư. Gali-67 bị thu hút bởi các tế bào sao chép nhanh hơn bình thường, đó là những gì xảy ra trong một khối u.Gali-67 là một đồng vị phóng xạ của gali phát ra tia gamma không độc. Các bác sĩ X quang có thể quét toàn bộ cơ thể bệnh nhân để tìm các khối u hoặc chứng viêm do nhiễm trùng bằng cách tiêm gali-67 vào máu của họ. Vì gali-67 liên kết với các đám tế bào phát triển nhanh, những điểm rắc rối tiềm ẩn đó sẽ hiển thị trên bản chụp PET hoặc bất kỳ bản quét nào khác nhạy cảm với tia gamma. Gali nitrat cũng cho thấy hiệu quả trong việc thu nhỏ và tiêu diệt một số loại khối u chứ không chỉ phát hiện ra chúng.
Ngành công nghiệp hàng không vũ trụ đã trở nên sôi nổi hơn về gali trong nhiều thập kỷ. Tất cả các tấm pin mặt trời cao cấp cung cấp năng lượng cho các vệ tinh và tàu vũ trụ tầm xa đều được làm bằng gallium arsenide, bao gồm cả các tấm pin mặt trời quan trọng trên Tàu thăm dò sao Hỏa. Ở hiệu suất cao nhất, pin mặt trời dựa trên gali trên tàu lượn trên sao Hỏa có thể tạo ra năng lượng 900 watt mỗi ngày trên sao Hỏa.
Khi bạn kết hợp một lượng chính xác gali, indium và thiếc, bạn sẽ có được một hợp kim kim loại thực sự nóng chảy ở -19 độ C. Kim loại lỏng này, được biết đến với tên thương hiệu Galistan, là chất thay thế không độc hại cho thủy ngân trong nhiệt kế.
