Ученые из Оклендского университета выяснили, что атомная структура жидкого галлия меняется при нагреве не так, как считалось ранее. Вопреки устоявшемуся мнению, ковалентные связи между атомами, которые разрываются при плавлении, восстанавливаются при более высоких температурах.
Галлий – один из самых необычных металлов. Он плавится при температуре чуть ниже 30 °C, а в твердом состоянии менее плотен, чем в жидком, подобно льду. Его атомы образуют пары-димеры и соединены ковалентными связями, что более характерно для неметаллов.
Научное сообщество полагало, что эти связи окончательно исчезают, когда галлий становится жидким. Однако новое исследование показало, что они появляются вновь, если продолжить нагревать расплав. Это открытие меняет представление о физике металла, которое складывалось десятилетиями. Как отмечает профессор Никола Гастон, фундаментальное предположение, на котором строились исследования жидкого галлия в течение 30 лет, оказалось неверным.
Это явление также предлагает новое объяснение аномально низкой температуры плавления галлия. Исследователи предполагают, что при разрыве связей резко возрастает энтропия – мера беспорядка в системе, – что и облегчает переход в жидкое состояние. К такому выводу пришла группа ученых, проанализировав и сопоставив данные экспериментов, опубликованные за несколько десятилетий. Результаты работы представлены в журнале Materials Horizons.
Более глубокое понимание свойств галлия может найти применение в нанотехнологиях, в частности при создании новых материалов с заданными характеристиками. Галлий также используют для растворения других металлов, что позволяет получать жидкометаллические катализаторы и самособирающиеся структуры.
Галлий, существование которого предсказал Дмитрий Менделеев, сегодня широко применяется в полупроводниках, светодиодах, лазерах, аэрокосмической отрасли и как безопасная замена ртути в термометрах. Ученые также изучают, может ли металл помочь в поиске следов древней жизни на Марсе, сохраняя химические «отпечатки» микроорганизмов.
