科学家终于解开了150年前的镓之谜

据奥克兰大学（University of Auckland）2026年7月9日报道(University of Auckland. "Scientists finally solved a 150-year-old gallium mystery." ScienceDaily, 9 July 2026. www.sciencedaily.com/releases/2026/07/260707054119.htm)，科学家们发现了镓中的一种隐藏行为，这种行为颠覆了几十年的教科书科学，并可能开启新的高科技应用。科学家们在发现镓的不寻常原子键在高温下会重新形成后，改写了镓(Gallium)的故事，这与几十年来公认的理论相矛盾。这一发现改变了研究人员解释为什么这种金属如此容易熔化，并且其行为与几乎任何其他金属都不同。除了解决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的进步。

科学家发现镓不寻常的原子键在高温下会恢复，而不是永久消失，这推翻了几十年来关于镓的假设。在镓首次被发现并被添加到元素周期表近150年后，奥克兰大学的科学家们发现了以前未知的金属原子结构和行为的细节。

1875年，法国化学家PaulÉmile Lecoq de Boisbaudran发现了镓。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起着至关重要的作用。新报告的发现侧重于镓在原子水平上的行为，揭示了挑战数十年科学理解的特性。

一种原子行为更奇怪的奇怪金属

镓已经在几个方面从大多数金属中脱颖而出。它的原子自然配对成“二聚体”，这意味着它们以键对的形式存在。它也是为数不多的固体密度低于液体密度的物质之一，就像浮在水面上的冰一样。

另一个不寻常的特征是镓形成“共价键”，其中原子共享电子。这种类型的结合在非金属中比在金属中更常见。

科学家们长期以来一直认为，当镓熔化时，这些共价键消失了。然而，这项新的研究发现，尽管这些键在熔点时消失了，但当液体被加热到更高的温度时，它们出乎意料地又回来了。

这一发现推翻了长期以来被接受的假设，并为镓的极低熔点提出了新的解释。研究人员提出，当键断裂时，熵的增加（一种衡量无序程度的指标）会释放原子，使熔化更容易。

奥克兰大学Waipapa Taumata Rau和MacDiarmid先进材料与纳米技术研究所(MacDiarmid Institute for Advanced Materials and Nanotechnology)的Nicola Gaston教授说：“30年来关于液态镓结构的文献有一个基本假设，但显然是不正确的。”

重温几十年的研究

该研究由现任德国马克斯·普朗克固态研究所(Max Planck Institute for Solid State Research in Germany)博士后研究员的斯蒂芬·兰比(Steph Lambie)博士、惠灵顿维多利亚大学(Victoria University of Wellington)和麦克迪米德研究所(MacDiarmid Institute)的尼古拉·加斯顿(Nicola Gaston)教授和Krista Steenbergen博士进行。

兰比在奥克兰大学和麦克迪米德研究所完成博士学位时取得了突破。通过仔细回顾几十年来发表的研究成果，并比较在不同温度下收集的测量结果，兰比对镓的行为有了更全面的了解。相关研究结果已经在《材料视野》(Materials Horizons)发表——Stephanie Lambie, Krista G. Steenbergen, Nicola Gaston. Resolving decades of debate: the surprising role of high-temperature covalency in the structure of liquid gallium. Materials Horizons, 2024; 11 (17): 4201 DOI: 10.1039/D4MH00244J. http://dx.doi.org/10.1039/D4MH00244J

为什么了解镓很重要

更好地了解镓如何随温度变化可能有利于纳米技术，研究人员在极小的尺度上操纵物质，创造出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，使其可用于生产液态金属催化剂和“自组装结构”，其中无序材料自发地组织成有序形式。

在早期的一个项目中，Gaston、Lambie和Steenbergen使用液态镓将锌结晶成复杂的“雪花”结构。

从预测元素到现代技术

镓在被发现之前就被预测到了。1871年，俄罗斯化学家德米特里·门捷列夫创建了第一个元素周期表，根据原子序数的递增排列元素，并有意为他认为尚未发现的元素留出空白。镓后来填补了其中一个预测的空白。

这种金属是从铝土矿等矿物和岩石中提取的，不是纯天然存在的。如今，镓广泛应用于半导体、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古代生命的迹象。该大学环境学院和Te Ao Mārama基础研究中心(University's School of Environment and Te Ao Mārama -- Centre for Fundamental Inquiry)的科学家正在研究这种金属是否可以作为化学“指纹”保存过去微生物生命的痕迹。

镓(gallium)这个名字来源于高卢(Gaul)，这是法国(France)的古拉丁名字，以纪念其发现者的国籍。

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