El galio es un elemento raro, de color blanco plateado, que puede realizar uno de los trucos de salón más geniales de la tabla periódica. A temperatura ambiente, el galio es un sólido metálico brillante que se asemeja al aluminio puro. Pero manténgalo en sus manos durante unos minutos y este sólido trozo de metal comenzará a derretirse.
Sí, el punto de fusión del galio es de sólo 85,6 grados F (29,8 grados C), lo que significa que se derrite en un charco parecido a un espejo en tu manita caliente. En su forma líquida, el galio se parece mucho al mercurio, pero no es tóxico como el mercurio, por lo que es más seguro de manipular (aunque puede manchar la piel).
Pero el galio es mucho más que material para vídeos de YouTube sobre cómo se derrite en la mano. También es un ingrediente clave en las luces LED y el material semiconductor de referencia para los potentes microchips de su teléfono inteligente. Lo único que impide que el galio se apodere del mundo de la electrónica es que es muy raro y muy caro en comparación con el silicio.
ContenidoEl galio puro no existe en su forma elemental brillante en la naturaleza. Debe extraerse de minerales como la bauxita mediante un proceso químico de varios pasos. Según el Servicio Geológico de Estados Unidos, la abundancia de galio en la corteza terrestre es de apenas 19 partes por millón (el silicio, en comparación, es de 282.000 partes por millón). La primera persona en aislar y reconocer el galio como un nuevo elemento fue el químico francés Paul-Emile Lecoq de Boisbaudran en 1875. Lo llamó galio por el nombre latino de Francia, "Gallia".
Pero cuatro años antes del descubrimiento de Boisbaudran, el famoso químico ruso Dmitri Mendeleev predijo la existencia del galio. Mendeleev, conocido como el "padre de la tabla periódica", vio que había un hueco en la tabla después del aluminio, por lo que postuló que un elemento faltante al que llamó "eka-aluminio" compartiría muchas de las propiedades del aluminio, pero con una estructura atómica diferente.
Mendeleev tenía razón, pero no podría haber predicho cómo las cualidades inusuales del galio (en algún lugar entre un metal y un no metal) lo harían ideal para la electrónica moderna.
Aquí hay otro hecho interesante y algo extraño sobre el galio:si bien se derrite a solo 85,6 grados F (29,8 grados C), no hierve hasta los abrasadores 3999 grados F (2204 grados C). Eso le otorga al galio el premio por mantener la fase líquida más larga de cualquier elemento. ¿Pero por qué sucede eso?
"El galio es confuso", dice Daniel Mindiola, profesor de química de la Universidad de Pensilvania a quien contactamos a través de la Sociedad Química Estadounidense. "Se funde a una temperatura baja, lo que corresponde a un elemento ligero, pero hierve a una temperatura muy alta, lo que corresponde a un elemento muy pesado. El galio no sabe si quiere ser un metal o un no metal. "
La doble personalidad del galio proviene de su ubicación en la tabla periódica entre dos grupos llamados "metaloides" y "metales post-transición". El galio es el siguiente en la fila después del aluminio, pero sus átomos son mucho más "independientes" que su lámina brillante (¿entiendes?) y el aluminio es más "electropositivo", dice Mindiola, un rasgo de los verdaderos metales.
Al igual que el silicio, el galio es un buen conductor de la electricidad, pero no excelente. Eso es lo que hace que estos dos metaloides sean los principales candidatos para los semiconductores, donde es necesario controlar el flujo de electricidad.
"En realidad, el galio es el material semiconductor ideal, incluso mejor que el silicio", afirma Mindiola. "El problema es que es raro y por eso es caro".
Utilizando los procesos de fabricación actuales, una oblea de arseniuro de galio, el material semiconductor a base de galio más popular, es aproximadamente 1.000 veces más cara que una oblea de silicio.
Aunque el galio es mucho más caro que el silicio, se ha convertido en un material semiconductor popular en las últimas generaciones de teléfonos inteligentes. Los teléfonos inteligentes se comunican con redes de datos móviles mediante chips de radiofrecuencia (RF), y los chips de RF fabricados con arseniuro de galio emiten menos calor que el silicio y pueden funcionar en bandas de frecuencia más altas, un requisito para las redes 5G. Según el USGS, poco más del 70 por ciento de todo el galio consumido en EE. UU. se utiliza para fabricar chips de RF y otros tipos de circuitos integrados.
Pero una de las aplicaciones más interesantes del galio es en los diodos emisores de luz (LED), que ahora se utilizan en todo, desde pantallas de computadora hasta semáforos y faros de automóviles de lujo. Los LED son tan populares porque son súper eficientes y convierten la electricidad directamente en luz. Los primeros LED de luz visible se inventaron a principios de la década de 1960, cuando investigadores de General Electric descubrieron las propiedades únicas de los diodos fabricados con varias aleaciones de galio (combinaciones de galio, arsénico, nitrógeno, fósforo y otros elementos).
En un diodo, los electrones se mueven a través de dos capas de material semiconductor, una con carga positiva y otra con carga negativa. A medida que los electrones libres del lado negativo llenan "agujeros" en el lado positivo, emiten un fotón de luz como subproducto. Los científicos han descubierto que diferentes aleaciones de galio emiten fotones de diferentes frecuencias de luz visible. El arseniuro de galio y el fosfuro de galio producen luz roja, naranja y amarilla, mientras que el nitruro de galio produce luz azul.
"Basta con aplicar corriente a un LED y se ilumina como un árbol de Navidad", afirma Mindiola.
Los LED no sólo producen luz cuando se conectan a la electricidad, sino que el proceso se puede revertir. Los diodos especiales del interior de las células solares también están hechos de semiconductores a base de galio. Toman la luz entrante y la separan en electrones libres y "huecos", generando voltaje que se puede guardar en una batería como electricidad.
"La medicina también está empezando a utilizar el galio para detectar y tratar ciertos tipos de cáncer", afirma Mindiola. "El galio-67 se siente atraído por las células que se replican más rápido de lo normal, que es lo que sucede en un tumor".
El galio-67 es un isótopo radiactivo de galio que emite rayos gamma no tóxicos. Los radiólogos pueden escanear todo el cuerpo de un paciente en busca de tumores o inflamación debido a una infección inyectando galio-67 en el torrente sanguíneo. Dado que el galio-67 se une a grupos de células de rápido crecimiento, esos posibles puntos problemáticos aparecerán en una exploración PET o en cualquier otra exploración que sea sensible a los rayos gamma. El nitrato de galio también ha demostrado eficacia para reducir y matar ciertos tipos de tumores, no solo para detectarlos.
La industria aeroespacial ha estado interesada en el galio durante décadas. Todos los paneles solares de alta gama que alimentan satélites y naves espaciales de largo alcance están fabricados con arseniuro de galio, incluidos los paneles solares críticos de los vehículos de exploración de Marte. En su máximo rendimiento, las células solares basadas en galio de los vehículos exploradores de Marte podrían producir 900 vatios-hora de energía por día marciano.
Ahora eso es genialCuando se combinan cantidades precisas de galio, indio y estaño, se obtiene una aleación metálica que en realidad se funde a -2,2 grados F (-19 grados C). Este metal líquido, conocido por su marca Galistan, es un sustituto no tóxico del mercurio de los termómetros.
