不小心就會(huì)熔化的金屬——鎵

李曄明

化學(xué)元素鎵在地殼中的含量非常少，僅占約0.001%，直到140年前，人類才發(fā)現(xiàn)它。說(shuō)到它的發(fā)現(xiàn)，科學(xué)史上還有著一段有趣的故事。

著名化學(xué)家門捷列夫在建立化學(xué)元素周期表時(shí)，鎵這一元素還沒(méi)有被人類發(fā)現(xiàn)，但是門捷列夫根據(jù)元素周期表的規(guī)律性，預(yù)測(cè)在第四周期鋁元素的下面存在著一個(gè)未被發(fā)現(xiàn)的元素，并給它起名為“鋁下元素”或“超鋁”，同時(shí)還預(yù)測(cè)了這一元素包括熔點(diǎn)、密度等在內(nèi)的各項(xiàng)特征。盡管門捷列夫?qū)@一元素的預(yù)測(cè)極其詳細(xì)，但科學(xué)家們確實(shí)沒(méi)有發(fā)現(xiàn)這種元素的存在，門捷列夫的預(yù)測(cè)顯得空口無(wú)憑，直到1875年的一天。

當(dāng)時(shí)，法國(guó)人布瓦博德蘭在研究礦物的光譜時(shí)，無(wú)意中看到了一小段陌生的光帶。他沒(méi)有放過(guò)這個(gè)小細(xì)節(jié)，并不斷地對(duì)這一光帶進(jìn)行了研究，而這竟讓他的名字永遠(yuǎn)留在了科學(xué)史上。沒(méi)錯(cuò)，這一段光譜就是由門捷列夫所說(shuō)的“超鋁”發(fā)出的。但布瓦博德蘭將它命名為“鎵”（Ga），即他的祖國(guó)法國(guó)高盧的拉丁文。1878年，他得到了一款很純的鎵，并公布了鎵的熔點(diǎn)、密度等數(shù)據(jù)。

布瓦博德蘭的發(fā)現(xiàn)在當(dāng)時(shí)學(xué)術(shù)界引起了廣泛關(guān)注，因?yàn)檫@是自門捷列夫提出元素周期后，人類發(fā)現(xiàn)的第一個(gè)新元素。不過(guò)，對(duì)于布瓦博德蘭的發(fā)現(xiàn)，門捷列夫略有微詞。雖然新元素的發(fā)現(xiàn)證實(shí)了自己的預(yù)測(cè)，可布瓦博德蘭卻不承認(rèn)這是在他的預(yù)測(cè)指導(dǎo)下發(fā)現(xiàn)的，而且布瓦博德蘭還擅自給新元素命名。不過(guò)，在和布瓦博德蘭爭(zhēng)執(zhí)的過(guò)程中，門捷列夫也有很得意的一個(gè)地方。那就是當(dāng)他看到布瓦

博德蘭給出的新元素的密度和質(zhì)量時(shí)，他自信地指出，這些數(shù)據(jù)肯定有問(wèn)題。布瓦博德蘭在仔細(xì)檢驗(yàn)后竟發(fā)現(xiàn)，自己真的算錯(cuò)了，而真實(shí)的結(jié)果與門捷列夫的預(yù)測(cè)相差無(wú)幾。

不過(guò)，后世并沒(méi)有因此而否認(rèn)布瓦博德蘭的貢獻(xiàn)，直到今天大家仍稱這一元素為鎵，而不是門捷列夫所起的拗口名字。同樣，門捷列夫也憑借自己的精準(zhǔn)預(yù)測(cè)，令學(xué)術(shù)界對(duì)他的元素周期表刮目相看。

鎵的發(fā)現(xiàn)充滿了傳奇色彩，而它的特性更富有戲劇性。

金屬鎵是銀白色稀有金屬，沸點(diǎn)很高——2 403℃，但熔點(diǎn)卻很低，只有29.78℃。因此，在室溫下將固態(tài)的鎵湯匙放入溫水里，它就會(huì)化成一滴滴的液態(tài)鎵。把它放在手心，也很快就會(huì)變成液態(tài)鎵。

把液態(tài)鎵滴在固態(tài)的鋁制易拉罐上時(shí)，它會(huì)逐漸融入鋁形成合金，破壞易拉罐的結(jié)構(gòu)，讓它變得像墻皮那樣一摳就破，簡(jiǎn)直像是拍電影時(shí)用的特制道具。

把鎵放置于硫酸與重鉻酸鹽的混和溶液中時(shí)，它會(huì)如心臟般跳動(dòng)，甚至像電影中的外星生物一樣延展、活動(dòng)。這是因?yàn)楸砻鎻埩ψ兇髸r(shí)，鎵的形狀會(huì)發(fā)生改變，所以看上去就像有生命一樣。

當(dāng)然，鎵的用途可不只是會(huì)變魔術(shù)或者惡作劇這么簡(jiǎn)單。鎵的高沸點(diǎn)使得它可以用作高溫溫度計(jì)，還可以和一些金屬形成具備超導(dǎo)性的合金，讓它在半導(dǎo)體應(yīng)用領(lǐng)域占有一席之地。

今年3月，清華大學(xué)醫(yī)學(xué)院研發(fā)出世界首個(gè)可自主運(yùn)動(dòng)的可變形液態(tài)金屬機(jī)器，這一研究成果引起了全球?qū)W術(shù)界的廣泛關(guān)注，同時(shí)也讓鎵的應(yīng)用上升到更高的水平。因?yàn)楹凸虘B(tài)金屬相比，可變形液態(tài)金屬機(jī)器能通過(guò)更多復(fù)雜的區(qū)域，在救災(zāi)、醫(yī)療、軍事等領(lǐng)域等有極大用途，從而為研制實(shí)用化智能馬達(dá)、血管機(jī)器人、柔性執(zhí)行器乃至更為復(fù)雜的液態(tài)金屬機(jī)器人奠定了理論和技術(shù)基礎(chǔ)。也許，科幻電影《終結(jié)者》中的液態(tài)機(jī)器人T-1000，在不遠(yuǎn)的將來(lái)可能真的會(huì)實(shí)現(xiàn)。而液態(tài)金屬的關(guān)鍵成分，就是鎵。

在常溫下，能保持流動(dòng)液態(tài)的金屬中，常用的只有汞、銫、鎵3種。但是汞的毒性太大，而且易揮發(fā)；銫太活潑，容易和空氣中的水形成易爆炸的氫氣，它們應(yīng)用起來(lái)局限性都太大。但是，鎵卻相對(duì)穩(wěn)定和安全，所以它已成為未來(lái)液態(tài)金屬機(jī)器研究的不二之選。