Des scientifiques découvrent des propriétés jusque-là inconnues du gallium

Près de 150 ans après la découverte et l’ajout du gallium au tableau périodique, des scientifiques de l’Université d’Auckland ont découvert des aspects jusqu’alors inconnus de la structure et du comportement de ce métal.

Identifié pour la première fois en 1875 par le chimiste français Paul-Émile Lecoq de Boisbaudran, le gallium est connu pour son faible point de fusion qui provoque la dissolution d’une cuillère de gallium dans une tasse de thé. Les semi-conducteurs s’appuient sur un métal inhabituel.

La découverte surprenante concerne le comportement du gallium au niveau atomique.

Contrairement à la plupart des métaux, le gallium existe sous forme de « dimères » (paires d’atomes) et est moins dense sous forme solide que sous forme liquide, un peu comme la glace flotte sur l’eau. Le gallium présente des « liaisons covalentes » où les atomes partagent des électrons, ce qui est également inhabituel pour un métal.

Une nouvelle étude montre que si ces liaisons disparaissent au point de fusion, elles réapparaissent à des températures plus élevées. « Résoudre des décennies de débat : le rôle surprenant de la covalence à haute température dans la structure du gallium liquide » est le titre de l’article publié dans Horizons Matériaux.

Cela contredit des hypothèses de longue date et nécessite une nouvelle explication du faible point de fusion du gallium. Les chercheurs suggèrent que la clé pourrait être une forte augmentation de l’entropie – une mesure du désordre – lorsque les liaisons disparaissent, libérant ainsi les atomes.

“Trente années de littérature sur la structure du gallium liquide reposaient sur une hypothèse fondamentale qui n’est évidemment pas vraie”, déclare le professeur Nicola Gaston, de Waipapa Taumata Rau, de l’Université d’Auckland et de l’Institut MacDiarmid pour les matériaux avancés et la nanotechnologie.

La recherche a été menée par le Dr Steph Lambie, maintenant chercheur postdoctoral à l’Institut Max-Planck de recherche sur l’état solide en Allemagne – Gaston et le Dr Krista Steenbergen, de l’Université Victoria de Wellington et de l’Institut MacDiarmid.

La percée est venue de Lambie, alors titulaire d’un doctorat. étudiant à l’Université et à l’Institut MacDiarmid, revisitant méticuleusement la littérature scientifique des décennies précédentes et comparant les données de température pour dresser un tableau complet.

Comprendre les processus exacts du gallium, et en particulier la façon dont il évolue avec la température, est important pour les progrès de la nanotechnologie, où les scientifiques manipulent la matière pour créer de nouveaux matériaux.

Le métal est utilisé pour dissoudre d’autres métaux, facilitant ainsi la création de catalyseurs métalliques liquides et de « structures auto-assemblées », où les matériaux désordonnés se structurent spontanément.

Des « flocons de neige » de zinc ont été créés en cristallisant du zinc dans du gallium liquide dans le cadre d’un projet précédent impliquant Gaston, Lambie et Steenbergen.

Le gallium a été prédit avant même d’être découvert. Lorsque Dmitri Mendeleïev, le chimiste russe, a créé le premier tableau périodique en 1871, classant les éléments selon des numéros atomiques croissants, il a laissé des espaces vides pour les éléments manquants suggérés par des éléments connus.

Extrait de minéraux et de roches comme la bauxite, le gallium ne se trouve pas dans la nature sous sa forme pure. Utilisé dans les semi-conducteurs, le métal est également présent dans les télécommunications, les LED et diodes laser, les panneaux solaires, le calcul haute performance, les industries aérospatiale et de défense, et comme alternative au mercure dans les thermomètres.

Curieusement, les scientifiques à la recherche de traces de vie passée sur Mars voient le potentiel du gallium à offrir des indices sous la forme d’une « empreinte » chimique préservant les traces de vie microbienne passée. Des chercheurs de l’École d’environnement de l’université et du Te Ao Mārama — Center for Fundamental Inquiry mènent l’enquête.

Le nom gallium fait référence à la Gaule ou à la France, reflétant la nationalité du découvreur.