Gali: kim loại tan chảy trong lòng bàn tay

Nóng chảy ở gần 30 °C, sôi ở hơn 2.000 °C

Gali nóng chảy ở 29,76 °C, thấp hơn thân nhiệt người. Chỉ có 4 kim loại không phóng xạ ở thể lỏng quanh nhiệt độ phòng, mà 3 kim loại kia đều khó chịu. Caesi và rubidi bốc cháy khi gặp không khí ẩm, còn thuỷ ngân thì độc. Gali vừa không độc vừa không phản ứng dữ, nên cầm trên tay được.

Trong giới hoá học có một trò đùa kinh điển: đúc một cái thìa bằng gali, đưa cho khách khuấy trà. Gali trông hệt nhôm, và cái thìa tan ra trong tách. Trò này nổi tiếng tới mức thành tên một cuốn sách phổ biến khoa học.

Đầu kia thì ngược lại. Phải tới 2.204 °C gali mới sôi, nên gali ở thể lỏng trong một khoảng nhiệt độ rất rộng. Tính theo thang Kelvin (thang đếm từ điểm lạnh nhất có thể có), nhiệt độ sôi của gali gấp 8,18 lần nhiệt độ nóng chảy. Không nguyên tố nào có tỉ lệ cao hơn; thiếc đứng thứ nhì, chỉ được 5,69 lần.

Mendeleev tả đúng gali trước khi có ai tìm ra

Năm 1871, Mendeleev nhìn vào chỗ trống ngay dưới nhôm trong bảng của mình. Ông mô tả nguyên tố chưa ai thấy sẽ điền vào đó, đặt tên là eka-nhôm, đoán khối lượng nguyên tử khoảng 68 và khối lượng riêng khoảng 5,9 g/cm³.

Năm 1875, nhà hoá học Pháp Paul-Émile Lecoq de Boisbaudran đãi 52 kg quặng kẽm lấy từ dãy Pyrenees và soi quang phổ. Ông thấy hai vạch tím lạ ở bước sóng 4170 và 4031 angstrom, không khớp nguyên tố nào đã biết. Hai vạch đó là của gali.

Mendeleev còn mô tả vài ô trống khác trong bảng của mình. Gali là ô đầu tiên được điền vào; scandi phải đợi thêm 4 năm nữa mới có người tìm ra.

Mọi thứ khớp với dự đoán của Mendeleev, trừ khối lượng riêng. Boisbaudran đo được 4,7 g/cm³, nên Mendeleev viết thư đề nghị ông đo lại. Boisbaudran đo lại, và ra đúng 5,9 g/cm³ như Mendeleev đã viết. Phép đo hiện đại cho 5,91 g/cm³.

Gali nitride làm nên đèn LED xanh dương và bộ sạc nhanh

Đèn LED đỏ có từ năm 1962, đèn LED xanh lá cũng sớm không kém. Đèn LED xanh dương thì mãi tới đầu thập niên 1990 mới có loại hiệu suất cao, chậm hơn 30 năm. Vướng là ở vật liệu.

Bán dẫn là vật liệu mà người ta điều khiển được khả năng dẫn điện bằng cách trộn thêm tạp chất. Gali nitride phát được ánh sáng xanh dương, nhưng rất khó trộn tạp chất thành đúng loại bán dẫn cần dùng. Loại cần cho đèn LED xanh chính là loại khó làm nhất.

Isamu Akasaki và Hiroshi Amano gỡ được nút thắt ấy năm 1989. Shuji Nakamura hoàn thiện tiếp, rồi hãng Nichia bán ra đèn LED xanh dương hiệu suất cao năm 1993. Năm 2014, cả ba nhận giải Nobel Vật lý.

Một màu đèn đáng giải Nobel vì phải có đủ đỏ, xanh lá và xanh dương mới pha ra được ánh sáng trắng. Bóng đèn LED trắng trong nhà thật ra là một đèn LED xanh dương phủ lớp bột huỳnh quang. Lớp bột này ăn bớt một phần ánh sáng xanh rồi phát lại thành vàng đỏ, cộng cả hai thành ánh sáng trắng. Đó cũng là lý do bóng LED trắng lúc tắt nhìn hơi ngả vàng.

Cùng chất liệu ấy giờ nằm trong bộ sạc nhanh của điện thoại. Gali nitride truyền điện đỡ hao thành nhiệt hơn silic ở điện áp và tần số cao. Nhờ vậy bộ sạc dùng chất này nhỏ và nhẹ hơn bộ sạc cùng công suất đời cũ, chính là loại bộ sạc nhỏ ghi chữ GaN ngoài vỏ.

Pin mặt trời gali arsenide cho vệ tinh và xe sao Hoả

Một hợp chất khác của gali, gali arsenide, hấp thụ ánh sáng giỏi hơn silic nhiều. Chỉ vài micromet bề dày (1 micromet bằng một phần nghìn milimet) là gali arsenide đã nuốt gần hết ánh sáng, trong khi silic cần khoảng 100 micromet. Nhờ vậy tấm pin mỏng hơn, nhẹ hơn, chịu bức xạ và nhiệt độ khắc nghiệt tốt hơn.

Pin mặt trời gali arsenide bay vào không gian lần đầu năm 1965, trên một tàu thăm dò sao Kim của Liên Xô. Tới đầu thập niên 1990, loại pin này vượt pin silic về hiệu suất và thành lựa chọn mặc định cho vệ tinh. Loại pin nhiều lớp gốc gali arsenide cấp điện cho hai xe tự hành Spirit và Opportunity, và cho cả kính viễn vọng Hubble.

Trên mặt đất thì khác, vì gali arsenide đắt hơn silic hàng trăm tới hàng nghìn lần. Chỉ những chỗ sẵn sàng trả giá đó để đổi lấy hiệu suất và khả năng chịu bức xạ mới dùng tới.

Vì sao một giọt gali làm nhôm vỡ vụn?

Nhỏ một giọt gali lỏng lên khối nhôm rồi chờ. Khối nhôm sẽ mất gần hết độ bền, và vỡ vụn dưới một lực bóp nhẹ bằng tay.

Kim loại rắn được là nhờ vô số hạt tinh thể nhỏ dính chặt vào nhau, chỗ tiếp giáp gọi là biên hạt. Gali lỏng thấm rất nhanh dọc theo những biên hạt đó và làm rời liên kết giữa các hạt, khiến cả khối kim loại mất chỗ bám. Hiện tượng này thường phải có lực kéo từ bên ngoài mới xảy ra. Cặp gali với nhôm là một trong số ít ngoại lệ không cần lực kéo nào.

Pha gali với indi và thiếc thì được một hợp kim lỏng tới tận âm 19 °C. Hợp kim này ít độc hơn thuỷ ngân nhiều, nên dùng thay thuỷ ngân trong nhiệt kế y tế. Dẫn nhiệt lại tốt hơn keo tản nhiệt, nên dân ép xung máy tính cũng bôi vào giữa chip và khối tản nhiệt.

Chỉ có điều hợp kim ấy vẫn dẫn điện và vẫn làm giòn nhôm, mà khối tản nhiệt thì hay làm bằng nhôm.

Không ở đâu có mỏ gali

Chưa ai từng mở một mỏ để đào gali. Gali không có ở dạng tự do trong tự nhiên, và khoáng vật giàu gali thì quá hiếm để đào. Gali loài người dùng đều là sản phẩm phụ. Gali nằm rải trong quặng bauxite ở mức khoảng 50 phần triệu, và trong quặng kẽm.

Khi nhà máy chuyển bauxite thành nhôm oxit, gali tích lại trong dung dịch xút. Gali được tách ra bằng một loại hạt nhựa chuyên giữ kim loại lại rồi nhả ra khi cần. Ngay cả vậy cũng chỉ lấy được chừng 15% lượng gali có trong quặng; phần còn lại theo bùn đỏ ra bãi thải.

Cả thế giới làm ra khoảng 760 tấn gali thô một năm, và khoảng 99% trong số đó đến từ Trung Quốc. Từ tháng 8 năm 2023, Trung Quốc buộc doanh nghiệp phải xin giấy phép mới được xuất khẩu gali; tới tháng 12 năm 2024 thì cấm hẳn xuất khẩu sang Mỹ.

Nguyên tố Mendeleev tả đúng trước khi có ai nhìn thấy giờ nằm trong mọi bóng đèn trắng và mọi bộ sạc nhanh. Vậy mà vẫn chưa có lấy một mỏ nào.

5 điều cần nhớ về gali

1. 1 Gali nóng chảy ở 29,76 °C, thấp hơn thân nhiệt người, nên tan ra khi cầm trong tay.
2. 2 Mendeleev mô tả gali năm 1871, trước khi Boisbaudran tìm ra 4 năm, và đoán đúng khối lượng riêng.
3. 3 Đèn LED xanh dương làm từ gali nitride, và ba người làm ra loại đèn ấy nhận giải Nobel Vật lý năm 2014.
4. 4 Gali lỏng thấm vào nhôm làm khối nhôm vỡ vụn chỉ với một lực bóp nhẹ.
5. 5 Gali không có mỏ riêng, chỉ là sản phẩm phụ của luyện nhôm và luyện kẽm. Khoảng 99% nguồn cung thô đến từ Trung Quốc.

Khối lượng nguyên tử theo CIAAW/IUPAC 2021; các giá trị còn lại từ PubChem (NCBI/NIH). Chuyện Mendeleev và Boisbaudran, trò đùa chiếc thìa, đèn LED xanh dương và giải Nobel 2014, pin mặt trời gali arsenide, và hiện tượng gali làm giòn nhôm theo các trang tổng hợp dẫn nguồn gốc. Sản lượng gali và hai mốc siết xuất khẩu theo USGS, Mineral Commodity Summaries 2025. Tỉ lệ 8,18 lần giữa nhiệt độ sôi và nhiệt độ nóng chảy là phép tính trên chính bộ số liệu của trang này, cho toàn bộ những nguyên tố có đủ hai giá trị. Ba nguồn cho ba nhiệt độ sôi lệch nhau hơn hai trăm độ, nên bài dùng đúng con số trong thẻ dữ liệu. Đối chiếu lại lần cuối 12/09/2026.