Quase 150 anos depois que o gálio foi descoberto e adicionado à tabela periódica, cientistas da Universidade de Auckland descobriram detalhes até então desconhecidos sobre a estrutura e o comportamento atômico do metal.
O gálio foi descoberto em 1875 pelo químico francês Paul Emile Lecoq de Boibaudran. É mais conhecido por seu ponto de fusão incomumente baixo, que permite que uma colher de gálio derreta em uma xícara de chá quente. Os metais também desempenham um papel importante nos semicondutores e em muitas tecnologias eletrônicas modernas.
As descobertas recentemente relatadas centram-se na forma como o gálio se comporta a nível atómico, revelando propriedades que desafiam décadas de compreensão científica.
Um metal estranho com comportamento atômico ainda mais estranho
O gálio já difere da maioria dos metais de várias maneiras. Seus átomos combinam-se naturalmente em “dímeros”, o que significa que existem como pares ligados. É também uma das poucas substâncias menos densa no estado sólido do que no estado líquido, semelhante ao gelo flutuando na água.
Outra característica incomum é que o gálio forma “ligações covalentes” nas quais os átomos compartilham elétrons. Este tipo de ligação é muito mais comum em não metais do que em metais.
Os cientistas há muito acreditam que essas ligações covalentes desapareceram quando o gálio foi derretido. No entanto, novas pesquisas mostraram que, embora as ligações desapareçam no ponto de fusão, elas retornam inesperadamente quando o líquido é aquecido a temperaturas ainda mais altas.
Esta descoberta derruba uma crença antiga e oferece uma nova explicação para o ponto de fusão extremamente baixo do gálio. Os investigadores acreditam que quando as ligações se quebram, o aumento resultante da entropia, uma medida de desordem, liberta átomos e facilita a fusão.
“Trinta anos de literatura sobre a estrutura do gálio líquido foram compostos de suposições fundamentais que claramente não são verdadeiras”, diz a professora Nicola Gaston de Waipapa Taumata Rau, Universidade de Auckland e Instituto MacDiarmid de Materiais Avançados e Nanotecnologia.
Revisitando décadas de pesquisa
A pesquisa foi realizada pelo Dr. Stef Lambie, agora pós-doutorado no Instituto Max Planck de Pesquisa do Estado Sólido na Alemanha, pelo professor Nicola Gaston e pela Dra. Christa Steenbergen da Victoria University of Wellington e do MacDiarmid Institute.
A descoberta ocorreu quando Lambie estava concluindo seu doutorado na Universidade de Auckland e no Instituto MacDiarmid. Ao revisar cuidadosamente décadas de pesquisas publicadas e comparar medições coletadas em diferentes temperaturas, Lambie reuniu um quadro mais completo do comportamento do gálio.
As descobertas foram publicadas em Materiais horizontais em um artigo intitulado “Resolvendo Décadas de Debate: O Papel Surpreendente da Covalência de Alta Temperatura na Estrutura do Gálio Líquido.”
Por que entender o gálio é importante
Uma melhor compreensão de como o gálio muda com a temperatura poderia beneficiar a nanotecnologia, onde os investigadores manipulam a substância numa escala muito pequena para criar novos materiais com propriedades especializadas.
O gálio também é valioso porque pode dissolver outros metais, tornando-o útil para a produção de catalisadores de metal líquido e “estruturas automontadas” nas quais materiais desordenados se organizam espontaneamente em formas ordenadas.
Em um projeto anterior, Gaston, Lambie e Steenbergen usaram gálio líquido para cristalizar zinco em complexos “flocos de neve”.
De um elemento previsto à tecnologia moderna
O gálio foi previsto antes de ser descoberto. Em 1871, o químico russo Dmitri Mendeleev criou a primeira tabela periódica, organizando os elementos de acordo com números atômicos crescentes e deixando deliberadamente espaços em branco para elementos que ele acreditava ainda não terem sido descobertos. Mais tarde, o gálio preencheu uma dessas lacunas previstas.
O metal é extraído de minerais e rochas como a bauxita e não ocorre naturalmente em sua forma pura. Hoje, o gálio é amplamente utilizado em semicondutores, equipamentos de telecomunicações, diodos emissores de luz, diodos laser, painéis solares, computação de alto desempenho, indústrias aeroespacial e de defesa, e como uma alternativa mais segura ao mercúrio em termômetros.
Os investigadores também estão a investigar se o gálio pode ajudar a identificar sinais de vida antiga em Marte. Cientistas da Escola de Proteção Ambiental da Universidade e do Centro de Pesquisa Básica Te Ao Marama estão investigando se o metal pode reter vestígios de vida microbiana passada como “impressões digitais” químicas.
O nome Gália vem de Gália, o antigo nome latino da França, em homenagem à nacionalidade do descobridor.
