新西兰科学家发现了镓的未知特性

2024-08-03 10:49:14
导读 在镓被发现并被添加到元素周期表近 150 年后,奥克兰大学的科学家们发现了这种金属结构和行为的未知方面。镓于 1875 年首次由法国化学...

在镓被发现并被添加到元素周期表近 150 年后,奥克兰大学的科学家们发现了这种金属结构和行为的未知方面。

镓于 1875 年首次由法国化学家 Paul-Émile Lecoq de Boisbaudran 发现,因其低熔点而闻名,一把镓勺可以溶解在一杯茶中。半导体依赖于这种不寻常的金属。

这一令人惊讶的发现与镓在原子层面上的行为有关。

与大多数金属不同,镓以“二聚体”(原子对)的形式存在,并且固体状态的密度低于液体状态,类似于冰漂浮在水面上。镓具有原子共享电子的“共价键”,这对于金属来说也很不寻常。

新研究表明,虽然这些键在熔点时消失,但它们会在更高温度下重新出现。

这与长期以来的假设相矛盾,需要对镓的低熔点做出新的解释。研究人员提出,关键可能在于当键消失并释放原子时,熵(一种无序性的量度)会大幅增加。

奥克兰大学 Waipapa Taumata Rau 分校和麦克戴米德先进材料与纳米技术研究所的 Nicola Gaston 教授说:“30 年来有关液态镓结构的文献都有一个显然不正确的基本假设。”

这项研究由 Steph Lambie 博士(现为德国马克斯普朗克固体研究所的博士后研究员)以及 Gaston 和维多利亚大学惠灵顿分校及麦克戴米德研究所的 Krista Steenbergen 博士共同完成。这一

突破来自当时在该大学和麦克戴米德研究所攻读博士的 Lambie,他一丝不苟地重新审视了前几十年的科学文献,并比较了温度数据以拼凑出完整的图景。这篇论文

的标题是《解决数十年的争论:高温共价性在液态镓结构中的惊人作用》,发表在科学期刊《材料视界》上。 了解镓的确切过程,尤其是它如何随温度变化,对于纳米技术的进步至关重要,科学家可以利用纳米技术纵物质来创造新材料。 这种金属用于溶解其他金属,有助于制造液态金属催化剂和“自组装结构”,无序材料会自发形成结构。 在 Gaston、Lambie 和 Steenbergen 参与的先前项目中,锌“雪花”是通过在液态镓中结晶锌而产生的。

在发现镓之前,人们就预测到了它的存在。1871 年,俄国化学家德米特里·门捷列夫创建了第一张元素周期表,按照原子序数递增的顺序排列元素,他为已知元素所暗示的缺失元素留出了空位。

镓是从铝土矿等矿物和岩石中提取出来的,在自然界中并不以纯态存在。这种金属不仅用于半导体,还用于电信、LED 和激光二极管、太阳能电池板、高性能计算、航空航天和国防工业,以及作为温度计中汞的替代品。

有趣的是,寻找火星上过去生命痕迹的科学家们认为,镓有可能作为化学“指纹”提供线索,保存过去微生物生命的痕迹。该大学环境学院和 Te Ao Mārama 基础研究中心的研究人员正在对此进行调查。

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