המתכת שנמסה בכוס תה עשויה לשנות את עולם השבבים

גליום היא אחת המתכות המוזרות בטבלה המחזורית. היא נראית כמו מתכת רגילה, אבל נמסה סביב 30 מעלות צלזיוס, כך שכפית עשויה גליום יכולה להפוך לנוזל בתוך כוס תה חמה. במשך שנים זו הייתה בעיקר עובדה מדעית משעשעת, אבל מאחורי ההתנהגות החריגה הזו עומדת שאלה עמוקה יותר: מדוע מתכת מתנהגת בצורה כל כך שונה ממתכות אחרות.

כעת חוקרים מאוניברסיטת אוקלנד וממכון מקדיארמיד לחומרים מתקדמים וננו-טכנולוגיה מציגים הסבר שמערער הנחה שהייתה מקובלת במשך עשרות שנים. לפי המחקר, הקשרים בין אטומי הגליום אכן נעלמים כאשר החומר נמס, אבל חוזרים להופיע כאשר הנוזל מחומם לטמפרטורות גבוהות יותר. כלומר, המבנה הפנימי של גליום נוזלי משתנה בצורה מורכבת יותר מכפי שהמדע הניח עד כה.

הגילוי פורסם בכתב העת Materials Horizons תחת הכותרת "Resolving decades of debate: the surprising role of high-temperature covalency in the structure of liquid gallium". החוקרים השתמשו בסימולציות מולקולריות מתקדמות ובניתוח מחקרים קודמים כדי ליישב סתירות שהופיעו במשך שנים במדידות של גליום נוזלי בטמפרטורות שונות.

המשמעות המדעית היא שגליום נמס בקלות מפני שבנקודת ההתכה הקשרים האטומיים המסודרים שלו מתפרקים, והמערכת מקבלת יותר חופש ותנועה. במדע החומרים קוראים לזה עלייה ברמת האי-סדר. אבל מה שהפתיע את החוקרים הוא שהקשרים האלה חוזרים בטמפרטורות גבוהות יותר, במקום להיעלם לצמיתות.

למה זה חשוב לתעשיית השבבים

תרכובות של הגליום, בעיקר גליום ארסניד וגליום ניטריד, משמשות בתעשיית השבבים, בתקשורת, בלייזרים, בפאנלים סולאריים, ברכיבי תדר גבוה, במערכות הספק וביישומים ביטחוניים וחלליים. גליום ניטריד, למשל, הפך לחומר חשוב במטענים מהירים, רכיבי תקשורת ואלקטרוניקת הספק, משום שהוא מאפשר עבודה במתח גבוה, תדר גבוה ויעילות גבוהה יותר מסיליקון ביישומים מסוימים.

הבנה טובה יותר של גליום במצב נוזלי יכולה לסייע גם בתחומים חדשים יותר: מתכות נוזליות, חומרים שמתארגנים מעצמם, קטליזטורים, ננו-מבנים, אלקטרוניקה גמישה וקירור מערכות. גליום מסוגל להמיס מתכות אחרות וליצור סגסוגות נוזליות בטמפרטורות נמוכות יחסית, ולכן הוא נחשב מועמד מעניין לתהליכים שבהם רוצים להזיז, לסדר או לבנות חומרים ברמה מיקרוסקופית.

ככל שתעשיית השבבים עוברת לרכיבים מהירים, חסכוניים ועמידים יותר, חומרים כמו גליום מקבלים משקל גדול יותר. זה נכון במיוחד בעולם של מרכזי נתונים, רכב חשמלי, 5G, מערכות מכ"ם, לוויינים ואנרגיה מתחדשת. החומר עצמו אולי מוכר כבר מ-1875, אבל השימושים שלו רלבנטיים מאוד לתעשיות הצמיחה של העשור הנוכחי.

גליום מופק כתוצר לוואי ממינרלים ומסלעים כמו בוקסיט, והוא כמעט שאינו מופיע בטבע כמתכת חופשית. משום כך, שרשרת האספקה שלו רגישה יחסית, והביקוש מצד שבבים, תקשורת וביטחון הופך אותו לחומר אסטרטגי. בשנים האחרונות הגבלות יצוא וחוסר ודאות גיאופוליטי סביב חומרים קריטיים, כולל גליום, המחישו עד כמה מתכות כאלה יכולות להשפיע על תעשיות ענק.

עבור המדענים, הגילוי החדש הוא תיקון של ספרי הלימוד. עבור התעשייה, הוא עשוי להיות בסיס לתכנון טוב יותר של חומרים ותהליכים. כאשר יודעים איך גליום משנה את הקשרים האטומיים שלו בטמפרטורות שונות, אפשר לשלוט טוב יותר בהתכה, ערבוב, יצירת סגסוגות, גידול גבישים ותהליכי ננו-ייצור.