Le gallium est un élément blanc argenté rare qui peut réaliser l’une des astuces de salon les plus cool du tableau périodique. À température ambiante, le gallium est un solide métallique brillant qui ressemble à de l'aluminium pur. Mais tenez-le dans vos mains pendant quelques minutes et ce solide morceau de métal commence à fondre.
Oui, le point de fusion du gallium n’est que de 85,6 degrés F (29,8 degrés C), ce qui signifie qu’il fond dans une flaque semblable à un miroir dans votre petite main chaude. Sous sa forme liquide, le gallium ressemble beaucoup au mercure, mais le gallium n'est pas toxique comme le mercure, il est donc plus sûr à manipuler (même s'il peut tacher votre peau).
Mais le gallium est bien plus que du simple fourrage pour des vidéos YouTube fondantes. C'est également un ingrédient clé des lumières LED et le matériau semi-conducteur incontournable pour les puissantes puces de votre smartphone. La seule chose qui empêche le gallium de conquérir le monde de l'électronique, c'est qu'il est très rare et très cher par rapport au silicium.
ContenuLe gallium pur n’existe pas sous sa forme élémentaire brillante dans la nature. Il doit être extrait de minéraux comme la bauxite par un processus chimique en plusieurs étapes. Selon l'US Geological Survey, l'abondance de gallium dans la croûte terrestre est de 19 parties par million (le silicium, en comparaison, est de 282 000 parties par million). La première personne à isoler et à reconnaître le gallium comme un nouvel élément fut le chimiste français Paul-Émile Lecoq de Boisbaudran en 1875. Il l'appela gallium d'après le nom latin de la France, « Gallia ».
Mais quatre ans avant la découverte de Boisbaudran, le célèbre chimiste russe Dmitri Mendeleïev avait prédit l'existence du gallium. Mendeleïev, connu comme le « père du tableau périodique », a constaté qu'il y avait un espace dans le tableau après l'aluminium. Il a donc émis l'hypothèse qu'un élément manquant qu'il a appelé « eka-aluminium » partagerait de nombreuses propriétés de l'aluminium, mais avec une structure atomique différente.
Mendeleïev avait raison, mais il n'aurait pas pu prédire comment les qualités inhabituelles du gallium – quelque part entre un métal et un non-métal – le rendraient idéal pour l'électronique moderne.
Voici un autre fait intéressant et quelque peu bizarre à propos du gallium :bien qu'il fonde à seulement 85,6 degrés F (29,8 degrés C), il ne bout pas avant une température torride de 3 999 degrés F (2 204 degrés C). Cela vaut au gallium le prix du maintien de la phase liquide la plus longue de tous les éléments. Mais pourquoi cela arrive-t-il ?
"Le gallium est confus", déclare Daniel Mindiola, professeur de chimie à l'Université de Pennsylvanie, que nous avons contacté par l'intermédiaire de l'American Chemical Society. "Il fond à basse température, ce qui correspond à un élément léger, mais il bout à très haute température, ce qui correspond à un élément très lourd. Le gallium ne sait pas s'il veut être un métal ou un non-métal. "
La double personnalité du gallium vient de sa place dans le tableau périodique parmi deux groupes appelés « métalloïdes » et « métaux post-transition ». Le gallium est le prochain sur la liste après l'aluminium, mais ses atomes sont bien plus « indépendants » que sa feuille brillante (vous comprenez ?) et l'aluminium est plus « électropositif », dit Mindiola, une caractéristique des vrais métaux.
Comme le silicium, le gallium est un bon conducteur d’électricité, mais pas un excellent conducteur. C'est ce qui fait de ces deux métalloïdes des candidats privilégiés pour les semi-conducteurs, où le flux d'électricité doit être contrôlé.
"Le gallium est en fait le matériau semi-conducteur idéal, encore meilleur que le silicium", explique Mindiola. "Le problème c'est que c'est rare, donc c'est cher."
Selon les procédés de fabrication actuels, une tranche d'arséniure de gallium, le matériau semi-conducteur à base de gallium le plus populaire, coûte environ 1 000 fois plus cher qu'une tranche de silicium.
Même si le gallium est beaucoup plus cher que le silicium, il est devenu un matériau semi-conducteur populaire dans les dernières générations de smartphones. Les smartphones communiquent avec les réseaux de données cellulaires à l'aide de puces radiofréquences (RF), et les puces RF à base d'arséniure de gallium dégagent moins de chaleur que le silicium et peuvent fonctionner sur des bandes de fréquences plus élevées, une exigence pour les réseaux 5G. Selon l'USGS, un peu plus de 70 % de tout le gallium consommé aux États-Unis est utilisé pour fabriquer des puces RF et d'autres types de circuits intégrés.
Mais l’une des applications les plus intéressantes du gallium réside dans les diodes électroluminescentes (DEL), qui sont désormais utilisées dans tous les domaines, des écrans d’ordinateur aux feux de circulation en passant par les phares de voitures de luxe. Les LED sont si populaires parce qu’elles sont extrêmement efficaces et convertissent l’électricité directement en lumière. Les premières LED à lumière visible ont été inventées au début des années 1960, lorsque des chercheurs de General Electric ont découvert les propriétés uniques des diodes fabriquées avec divers alliages de gallium (combinaisons de gallium, d'arsenic, d'azote, de phosphore et d'autres éléments).
Dans une diode, les électrons se déplacent à travers deux couches de matériau semi-conducteur, l’une avec une charge positive et l’autre avec une charge négative. Lorsque les électrons libres du côté négatif remplissent les « trous » du côté positif, ils émettent un photon de lumière comme sous-produit. Les scientifiques ont découvert que différents alliages de gallium émettent des photons de différentes fréquences de lumière visible. L'arséniure de gallium et le phosphure de gallium produisent une lumière rouge, orange et jaune, tandis que le nitrure de gallium produit une lumière bleue.
"Il suffit d'appliquer un courant à une LED et elle s'allume comme un sapin de Noël", explique Mindiola.
Non seulement les LED produisent de la lumière lorsqu’elles sont connectées à l’électricité, mais le processus peut être inversé. Les diodes spéciales à l’intérieur des cellules solaires sont également constituées de semi-conducteurs à base de gallium. Ils captent la lumière entrante et la séparent en électrons libres et en « trous », générant une tension qui peut être stockée dans une batterie sous forme d'électricité.
"La médecine commence également à utiliser le gallium pour détecter et traiter certains types de cancer", explique Mindiola. "Le gallium-67 est attiré par les cellules qui se répliquent plus rapidement que la normale, ce qui se produit dans une tumeur."
Le gallium-67 est un isotope radioactif du gallium qui émet des rayons gamma non toxiques. Les radiologues peuvent scanner tout le corps d'un patient à la recherche de tumeurs ou d'inflammations causées par une infection en injectant du gallium-67 dans sa circulation sanguine. Étant donné que le gallium-67 se lie aux amas de cellules à croissance rapide, ces points chauds potentiels apparaîtront sur un TEP ou tout autre scanner sensible aux rayons gamma. Le nitrate de gallium s'est également montré efficace pour réduire et tuer certains types de tumeurs, et pas seulement pour les détecter.
L’industrie aérospatiale est brûlante de gallium depuis des décennies. Tous les panneaux solaires haut de gamme qui alimentent les satellites et les engins spatiaux à longue portée sont fabriqués avec de l'arséniure de gallium, y compris les panneaux solaires critiques des Mars Exploration Rovers. À des performances optimales, les cellules solaires à base de gallium des rovers martiens pourraient produire 900 wattheures d'énergie par jour martien.
Maintenant c'est coolLorsque vous combinez des quantités précises de gallium, d’indium et d’étain, vous obtenez un alliage métallique qui fond réellement à -2,2 degrés F (-19 degrés C). Ce métal liquide, connu sous son nom de marque Galistan, est un substitut non toxique au mercure présent dans les thermomètres.
