Onderzoekers van de University of Auckland zien dat gallium zich in vloeibare vorm anders gedraagt dan decennialang werd aangenomen: covalente bindingen keren bij 1.000 K en hoger terug en dat is bijzonder. Gallium geldt al sinds 2011 als kritieke grondstof voor chips en zonnepanelen.
Nieuw onderzoek, dat op 9 juli 2026 werd gepubliceerd in Materials Horizons, zet een hardnekkige aanname over de structuur van vloeibaar gallium onder druk. Dat metaal smelt al bij 29,76°C . Professor Nicola Gaston van de University of Auckland vat de gevolgen samen: “Dertig jaar literatuur hierover blijkt te steunen op een uitgangspunt dat niet overeind blijft.” De EU bestempelt gallium sinds 2011 als kritieke grondstof, terwijl China volgens het Amerikaanse ministerie van Energie goed is voor meer dan 90 procent van de wereldwijde productie.
De sleutel zit in wanorde
Het team rond Dr. Steph Lambie werkte vanuit de University of Auckland en het MacDiarmid Institute met een vraag die al jaren in het veld rondzingt: waarom gedraagt vloeibaar gallium zich zo afwijkend van andere metalen? In het artikel in Materials Horizons beschrijven Lambie en collega’s dat het smelten samenhangt met een toename van entropie, dus chaos of wanorde, wanneer bindingen breken en atomen vrijer kunnen bewegen.
Het verbreken van atoombindingen bij het smeltpunt levert extra bewegingsvrijheid op, wat het vloeibaar worden vergemakkelijkt. Op hogere temperatuur verschuift dat evenwicht opnieuw, en komt covalentie (het voorkomen van meervoudige bindingen tussen atomen) terug bij vloeibaar gallium van 1.000 K en hoger, melden de onderzoekers.
“Dertig jaar literatuur over de structuur van vloeibaar gallium berust op een fundamentele aanname die kennelijk niet klopt.”
Professor Nicola Gaston, University of Auckland / MacDiarmid Institute for Advanced Materials and Nanotechnology
Waarom gallium al langer dwarsligt
Zilverkleurig vloeibaar gallium in een doorzichtige plastic beker. Beeld: Wikimedia Commons – Wikimedia.org.
Gallium is in vaste vorm al vreemd genoeg. Het vormt atoomparen (dimeren) met covalente bindingen, een type binding dat je eerder associeert met niet-metalen dan met metalen, beschrijft het team in de toelichting op het onderzoek.
Vast gallium heeft bovendien een lagere dichtheid dan vloeibaar gallium, waardoor het kan drijven op zijn eigen smelt, net zoals ijs op water. Die combinatie van dimeren en dichtheidsomkering maakt het element al decennialang tot een testcase voor theorieën over metaalbindingen, leggen de auteurs uit.
Goed om te weten Gallium werd in 1875 ontdekt door chemicus Paul-Émile Lecoq de Boisbaudran. Dat het element na honderdvijftig jaar nog basisvragen oproept, zegt iets over hoe lastig vloeistoffen op atoomschaal te doorgronden zijn.
Van paper naar keten: wie deed wat
De hoofdauteur van de studie, Steph Lambie, was tijdens het onderzoek promovendus aan de University of Auckland en verbonden aan het MacDiarmid Institute. De studie is ontwikkeld door onderzoekers van de University of Auckland, onder leiding van Nicola Gaston, met dr. Krista Steenbergen van Victoria University of Wellington als co-auteur.
De studie koppelt het verdwijnen van covalente bindingen rond het smeltpunt, ongeveer 300 K, aan het entropie-effect, en zet dat af tegen de hernieuwde covalentie bij veel hogere temperaturen.
Wat betekent dit voor toepassing in technologie
De auteurs wijzen mogelijkheden voor toepassing aan waarin een beter begrip van vloeibare metalen belangrijk is: halfgeleidertechnologie, nanotechnologie en de engineering van vloeibare metalen. Gallium zit al in materialen die in Europa strategisch worden geacht, zoals halfgeleiders, leds en zonnepanelen, aldus de uitleg over toepassingen van gallium.
- Voor halfgeleiders kan een nauwkeuriger model van gallium op hoge temperatuur relevant zijn bij processen waarbij materialen worden gesmolten of afgezet.
- In nanotechnologie kan de atoomstructuur van vloeibaar metaal bepalend zijn voor hoe stabiel structuren op nanoschaal zijn.
- Bij vloeibare-metaalengineering maakt het uit of bindingen uit blijven, of juist terugkeren bij verhitting, omdat dat de materiaaleigenschappen beïnvloedt.
Europese strategie, maar met fundamentele vragen
In Europa is gallium al sinds 2011 aangemerkt als kritieke grondstof, vanwege die rol in sleuteltechnologieën. China is volgens het Amerikaanse ministerie van Energie goed voor meer dan 90 procent van de wereldwijde galliumproductie.
De ontdekking verandert de aanpak van ontwerpers en materiaalwetenschappers die processen op hoge temperatuur moeten berekenen. Lambie werkt inmiddels als postdoctoraal onderzoeker bij het Max Planck Institute for Solid State Research in Duitsland.
