Près de 150 ans après la découverte du gallium et son ajout au tableau périodique, des scientifiques de l’Université d’Auckland ont mis au jour des détails inconnus sur la structure atomique et le comportement de ce métal.
Le gallium a été découvert en 1875 par le chimiste français Paul Émile Lecoq de Boisbaudran. Il est surtout connu pour son point de fusion exceptionnellement bas, permettant à une cuillère en gallium de fondre dans une tasse de thé chaud. Ce métal joue également un rôle essentiel dans les semi-conducteurs et de nombreuses technologies électroniques modernes.
Les nouvelles découvertes se concentrent sur le comportement du gallium à l’échelle atomique, révélant des propriétés qui remettent en question des décennies de compréhension scientifique.
Un métal étrange avec un comportement atomique encore plus étrange
Le gallium se distingue déjà de la plupart des métaux de plusieurs manières. Ses atomes s’associent naturellement en « dimères », formant ainsi des paires liées. C’est également l’une des rares substances qui est moins dense à l’état solide qu’à l’état liquide, semblable à la glace flottant sur l’eau.
Une autre caractéristique inhabituelle est que le gallium forme des « liaisons covalentes », où les atomes partagent des électrons, un type de liaison beaucoup plus courant chez les non-métaux que chez les métaux.
Les scientifiques pensaient longtemps que ces liaisons covalentes disparaissaient lors de la fusion du gallium. Cependant, la nouvelle étude a révélé que, bien que les liaisons disparaissent au point de fusion, elles réapparaissent de manière inattendue lorsque le liquide est chauffé à des températures encore plus élevées.
Cette découverte remet en question une hypothèse longtemps acceptée et suggère une nouvelle explication pour le point de fusion remarquablement bas du gallium. Les chercheurs proposent que lorsque les liaisons se décomposent, l’augmentation de l’entropie, une me du désordre, libère les atomes et facilite la fusion.
« Trente ans de littérature sur la structure du gallium liquide reposaient sur une hypothèse fondamentale qui n’est manifestement pas vraie », déclare le professeur Nicola Gaston, de Waipapa Taumata Rau, Université d’Auckland et de l’Institut MacDiarmid pour les matériaux avancés et la nanotechnologie.
Une réévaluation de décennies de recherche
Cette étude a été réalisée par le Dr. Steph Lambie, actuellement chercheur postdoctoral à l’Institut Max Planck pour la recherche sur l’état solide en Allemagne, le professeur Nicola Gaston, et le Dr. Krista Steenbergen de l’Université Victoria de Wellington et de l’Institut MacDiarmid. La percée est survenue alors que Lambie terminait un doctorat à l’Université d’Auckland et à l’Institut MacDiarmid. En examinant attentivement des décennies de recherches publiées et en comparant des mes recueillies à différentes températures, Lambie a assemblé une image plus complète du comportement du gallium.
Les résultats ont été publiés dans Materials Horizons dans un article intitulé « Résoudre des décennies de débats : le rôle surprenant de la covalence à haute température dans la structure du gallium liquide ».
Pourquoi comprendre le gallium est important
Une meilleure compréhension de la façon dont le gallium évolue avec la température pourrait bénéficier à la nanotechnologie, où les chercheurs manipulent la matière à des échelles extrêmement petites pour créer de nouveaux matériaux avec des propriétés spécialisées.
Le gallium est également précieux car il peut dissoudre d’autres métaux, ce qui le rend utile pour produire des catalyseurs métalliques liquides et des « structures auto-assemblantes », où des matériaux désordonnés s’organisent spontanément en formes ordonnées.
Dans un projet antérieur, Gaston, Lambie et Steenbergen ont utilisé du gallium liquide pour cristalliser le zinc en complexes « structures en flocon de neige ».
D’un élément prédit à la technologie moderne
Le gallium a été prédit avant d’être découvert. En 1871, le chimiste russe Dmitri Mendeleïev a créé le premier tableau périodique en classant les éléments selon leur numéro atomique croissant et en laissant intentionnellement des espaces vides pour des éléments qu’il croyait encore à découvrir. Le gallium a ensuite comblé l’un de ces espaces prédits.
Ce métal est extrait de minéraux et de roches comme la bauxite et ne se trouve pas naturellement sous sa forme pure. Aujourd’hui, le gallium est largement utilisé dans les semi-conducteurs, les équipements de télécommunications, les LED, les diodes laser, les panneaux solaires, l’informatique haute performance, les industries aérospatiales et de défense, et comme alternative plus sûre au mercure dans les thermomètres.
Des chercheurs étudient également si le gallium pourrait aider à identifier des signes de vie ancienne sur Mars. Des scientifiques de l’École de l’environnement de l’Université et du Centre Te Ao Mārama pour l’enquête fondamentale examinent si ce métal peut préserver des traces de vie microbienne passée sous forme de « empreinte chimique ».
Le nom gallium vient de la Gaule, l’ancien nom latin de la France, rendant hommage à la nationalité de son découvreur.
