科学家发现镓的异常原子键在高温下会发生重组，这一发现与数十年的公认理论相悖，从而改写了关于镓的科学认知。该发现改变了研究人员解释该金属为何极易熔化且表现异于几乎所有其他金属的方式。除了解开一个长期存在的科学谜团外，这项工作还可能推动半导体、纳米技术和液态金属工程领域的进步。
镓于1875年由法国化学家保罗·埃米尔·勒科克·德·布瓦博德兰发现。它以其异常低的熔点而闻名，这使得镓勺可以在一杯热茶中融化。这种金属在半导体和许多现代电子技术中也发挥着至关重要的作用。
新报道的研究结果聚焦于镓在原子层面的行为，揭示了一些挑战数十年科学认知的特性。
一种奇怪的金属，其原子行为更为奇特
镓在许多方面已经与大多数金属不同。它的原子自然配对形成“二聚体”，意味着它们以键合对的形式存在。它也是少数几种固态密度低于液态的物质之一，就像冰浮在水面上一样。
另一个不寻常的特征是镓形成“共价键”，即原子之间共享电子。这种键合类型在非金属中远比在金属中常见。
科学家长期以来一直认为这些共价键在镓熔化时会消失。然而，这项新研究发现，尽管这些键在熔点时消失，但当液体被加热到更高温度时，它们会意外地重新出现。
这一发现推翻了一个长期公认的假设，并为镓极低的熔点提出了新的解释。研究人员提出，当键断裂时，熵（一种无序度的量度）随之增加，释放了原子，从而使熔化变得更容易。
“关于液态镓结构的三十年来文献一直存在一个根本性的假设，而该假设显然是不正确的，”奥克兰大学和麦克迪尔米德先进材料与纳米技术研究所的尼古拉·加斯顿教授说。
重新审视数十年的研究
这项研究由现任德国马克斯·普朗克固态研究所博士后研究员斯蒂芬·兰比博士、尼古拉·加斯顿教授，以及惠灵顿维多利亚大学和麦克迪尔米德研究所的克里斯塔·斯滕伯根博士共同完成。
这一突破是在兰比于奥克兰大学和麦克迪尔米德研究所攻读博士学位期间取得的。通过仔细回顾数十年来发表的研究并比较在不同温度下收集的测量数据，兰比拼凑出了一幅关于镓行为的更完整图景。
这些发现发表在《材料地平线》上，论文题为“解决数十年的争论：高温共价性在液态镓结构中的惊人作用”。
为何理解镓至关重要
更好地理解镓如何随温度变化可能有益于纳米技术，在该领域，研究人员在极小的尺度上操纵物质，以创造具有特殊性质的新材料。
镓也很有价值，因为它可以溶解其他金属，这使其可用于生产液态金属催化剂和“自组装结构”，在自组装结构中，无序材料会自发组织成有序形式。
在早期的一个项目中，加斯顿、兰比和斯滕伯根利用液态镓将锌结晶成复杂的“雪花”状结构。
从预言元素到现代技术
镓在被发现之前就已被预言。1871年，俄罗斯化学家德米特里·门捷列夫通过根据原子序数递增排列元素创建了第一张元素周期表，并特意留出空位，用于他认为尚未被发现的元素。镓后来填补了其中一个预言的空缺。
这种金属是从铝土矿等矿物和岩石中提取的，在自然界中不以纯态存在。如今，镓被广泛应用于半导体、电信设备、LED、激光二极管、太阳能电池板、高性能计算、航空航天和国防工业，并作为温度计中汞的更安全替代品。
研究人员还在调查镓是否有助于识别火星上的远古生命迹象。该大学环境学院和Te Ao Mārama基础探究中心的科学家正在研究这种金属是否能将过去微生物生命的痕迹作为化学“指纹”保存下来。
镓这个名字来源于高卢，即法国的古拉丁语名称，以纪念发现者的国籍。