Volg Duurzaamnieuws op Google News | Discover | of als voorkeursbron op Google
Onderzoekers van de University of Auckland zetten een fundamentele aanname over vloeibaar gallium op losse schroeven. Dat kan gevolgen hebben, want gallium staat sinds 2011 op de Europese lijst van kritieke grondstoffen.
Een ledlamp, een zonnepaneel of een zendmast doen je niet direct denken aan een metaal dat in je hand al kan smelten. Toch vormt gallium de basis voor cruciale GaN- en GaAs-halfgeleiders in onder meer energie-, telecom- en defensietechnologie, al zit het niet in de gewone siliciumchip. Covalente bindingen in vloeibaar gallium blijken bij hogere temperaturen terug te keren, terwijl onderzoekers dertig jaar lang aannamen dat ze verdwenen waren. China produceert naar schatting 94 tot 99 procent van het wereldwijde ruwe gallium, waardoor Europa sterk afhankelijk is van een grondstof waarvan de structuur nog altijd niet volledig begrepen is.
Een vloeistof die zich niet aan het boekje houdt
Gallium smelt bij 29,76 graden Celsius. Daardoor kan een stukje metaal in je hand of in een kop warme thee al vloeibaar worden, terwijl de meeste metalen pas bij veel hogere temperaturen toegeven.
Juist in die vloeibare toestand blijkt gallium ingewikkelder dan gedacht. Professor Nicola Gaston van de University of Auckland en het MacDiarmid Institute for Advanced Materials and Nanotechnology stelt dat de basis onder drie decennia onderzoek is weggevallen.
“Dertig jaar wetenschappelijke literatuur over de structuur van vloeibaar gallium ging uit van een fundamentele aanname die klaarblijkelijk niet klopt.”
Professor Nicola Gaston, University of Auckland
Bij veel stoffen vallen covalente bindingen, sterke verbindingen waarbij atomen elektronen delen, uiteen zodra een materiaal smelt. Bij gallium komen die bindingen bij hogere temperaturen terug. Dat maakt het lastiger om te voorspellen hoe het metaal zich gedraagt tijdens productie en verwerking.
Voor snelle signalen en zware apparatuur
Vloeibaar gallium in verschillende stadia, zowel in vaste als vloeibare vorm, met een schaal voor groottevergelijking. Beeld: Wikipedia.
Gallium zit niet in de gewone siliciumchip van een laptop of telefoon. Het is wel onmisbaar voor gespecialiseerde halfgeleiders als galliumnitride, kortweg GaN, en galliumarsenide, of GaAs. Die materialen duiken op in ledlampen, laserdiodes, zonnepanelen, telecomapparatuur en ruimtevaarttechniek.
GaN is uitgegroeid tot het belangrijkste materiaal voor krachtige microgolfschakelaars en versterkers, bijvoorbeeld waar signalen heel snel en met veel vermogen moeten worden verwerkt. GaAs blijft juist de voorkeurskeuze voor apparatuur die zwakke signalen met zo min mogelijk ruis moet oppikken, zoals bepaalde satelliet- en communicatietoepassingen.
- GaN wordt gebruikt in krachtige microgolfversterkers en schakelaars.
- GaAs is geschikt voor toepassingen waarbij lage ruis essentieel is.
- Gallium speelt ook een rol in high-performance computing, defensie en opto-elektronica, techniek die licht omzet in elektronische signalen.
De aanvoer hangt aan een dun draadje
Gallium komt niet rechtstreeks uit een mijn als zelfstandig erts. Producenten winnen het als bijproduct bij de verwerking van aluminium en zink. Wie meer gallium wil maken, is dus ook afhankelijk van de veel grotere metaalindustrie daaromheen.
De kwetsbaarheid van die keten werd zichtbaar in juli en augustus 2023, toen China exportbeperkingen invoerde. Op 3 december 2024 volgde een veel hardere stap: producten met gallium die zowel civiel als militair gebruikt kunnen worden, mochten niet meer naar de Verenigde Staten worden uitgevoerd.
Handelsdata lieten later zien dat gallium en germanium via derde landen alsnog de Verenigde Staten bereikten. Het laat zien hoe snel handel zich verplaatst zodra een strategische grondstof politiek gevoelig wordt.
Europa wil minder afhankelijk worden
De Europese Unie breidde haar lijst met kritieke grondstoffen in 2023 uit tot 34 grondstoffen. Gallium stond al sinds 2011 op die lijst, maar de discussie is urgenter geworden nu chips voor energie, communicatie en defensie steeds belangrijker zijn.
Europa kijkt daarom naar andere bronnen en naar recycling van galliumhoudende materialen. Omdat gallium vaak in kleine hoeveelheden in gespecialiseerde onderdelen zit, is terugwinning technisch en economisch lastiger dan bij bijvoorbeeld aluminium of koper.
Goed om te weten
Gallium werd in 1875 ontdekt, maar pas bijna 150 jaar later blijkt dat zelfs de vloeibare vorm van dit element nog verrassingen in petto heeft.
Voor Nederland raakt dat aan meer dan de chipsector. Vermogenschips en communicatietechniek zijn nodig voor elektriciteitsnetten, datacenters en verbindingen op zee. De zoektocht naar alternatieve aanvoer en betere recycling krijgt daardoor een plek naast de ontwikkeling van nieuwe halfgeleiders.
Over de studie
Het onderzoek werd geleid door dr. Steph Lambie, nu postdoctoraal onderzoeker aan het Max Planck Institute for Solid State Research, samen met professor Nicola Gaston, verbonden aan het MacDiarmid Institute for Advanced Materials and Nanotechnology in Nieuw-Zeeland.
De nieuwe analyse bouwt voort op een element dat de Franse chemicus Paul-Émile Lecoq de Boisbaudran in 1875 voor het eerst beschreef. Lambie en Gaston laten zien dat het gedrag van vloeibaar gallium bij hogere temperaturen opnieuw onderzocht moet worden, nu het metaal zo’n vaste plek heeft gekregen in gespecialiseerde elektronica.
