Gallium

Les caractéristiques notables du gallium

Le gallium pur se caractérise par un aspect argenté. Il se brise facilement sous sa forme solide, comme le verre. Une fois qu’il se solidifie, son volume peut augmenter de 3,1 %. C’est d’ailleurs pour cette raison qu’il ne doit pas être entreposé dans un contenant en verre ou en métal. De plus, le gallium est corrosif pour la majorité des autres métaux. En effet, il se diffuse dans le réseau métallique.

Grâce à un phénomène de surfusion, on peut maintenir le gallium dans un état liquide. C’est son point de fusion de 29,76 °C, assez proche de la température ambiante, qui rend cela possible. Le césium et le rubidium jouissent de la même particularité. Pour le mercure, il s’agit de l’unique métal liquide possédant un point de fusion inférieur à 0 °C. C’est d’ailleurs pour cette raison qu’il est utilisé dans les thermomètres à haute température. On sait également qu’il dispose d’une faible pression de vapeur dans des conditions identiques.

Les isotopes du gallium

Le gallium dispose de 31 isotopes. Leur nombre de masse varie entre 56 à 86. On sait aussi qu’il possède trois isomères nucléaires. Parmi tous ces isotopes, on en compte deux stables, soit ⁶⁹Ga et ⁷¹Ga. Ces derniers constituent l’ensemble du gallium naturel. La proportion est de 60/40. Pour ce qui est de la masse atomique du gallium, celle-ci est de 69,723(1) u.

Les utilisations du gallium

Le gallium est principalement employé pour la fabrication de matériaux semi-conducteurs divers. On compte notamment les semi-conducteurs binaires III-V :

• l’arséniure de gallium GaAs ;
• l’antimoniure de gallium GaSb ;
• le nitrure de gallium GaN ;
• le phosphure de gallium GaP.

Il existe aussi les principaux semi-conducteurs ternaires :

• l’arséniure d’aluminium-gallium AlGaAs ;
• le nitrure d’aluminium-gallium AlGaN.

De toutes ces matières, l’arséniure de gallium est le plus courant. Il s’agit du deuxième matériau semi-conducteur le plus employé après le silicium. Néanmoins, son avantage est que ses propriétés électroniques et optoélectroniques sont intéressantes. On peut par exemple parler d’une plus importante conductivité des électrons. Il possède aussi un gap direct qui lui permet d’être déployé dans des dispositifs LED et de détection de type photodétecteur. En outre, l’arséniure de gallium est un substrat majeur de composants actifs hyperfréquences.

Le gallium est également utilisé dans le cadre de dépôts en couche mince en épitaxie en phase gazeuse ou MOCVD. Il est recouru pour le dépôt de couches de GaAs ou de GaN épitaxiées qui prennent deux formes :

• trimethylgallium TMGa, avec la formule (CH₃)₃Ga du numéro CAS 1445-79-0 ;
• trimethylgallium TEGa, avec la formule (C₂H₅)₃Ga du numéro CAS 1115-99-7.

Par ailleurs, on compte le galinstan qui est un alliage de gallium et d’indium. C’est ce dernier qui est présent dans les thermomètres depuis l’interdiction du mercure. On se sert également d’un radioisotope du gallium, soit le ⁶⁷Ga, en imagerie médicale. On parle alors de scintigraphie au gallium 67. Ce procédé est utile pour la détection de :

• sites d’inflammation ;
• sites d’infection (ostéomyélite) ;
• abcès et d’infections localisées ;
• infections tuberculeuses et à mycobactéries ;
• pneumonie à P. Carinei ;
• etc.

On l’utilise aussi dans la recherche de genres de néoplasies tels que les lymphomes et les carcinomes hépatocellulaires.

Le radioisotope ⁶⁸Ga, quant à lui, est exploité en tant qu’émetteur de positron en PET scan ou tomographie par émission de positrons.

Le gallium sert en tant que détecteur de neutrinos et est, d’une manière générale, la source d’ions employée dans la sonde ionique focalisée.

La cinétique corporelle du gallium

Aujourd’hui, on connaît encore mal la métabolisation et la cinétique corporelle du gallium inhalé ou ingéré. En revanche, selon des études, on a pu établir certaines conclusions.

Ainsi, l’exposition orale unique à l’arséniure de gallium GaAs a des effets hématologiques et physiologiques. Ces derniers peuvent être observés à partir de 1 à 15 jours suite à l’administration. D’ailleurs, il faut savoir que le GaAs tend à modifier l’activité de l’acide δ-déshydratase aminolévulinique ou ALAD dans le sang et le cœur. Après une exposition à 2 g/kg, on peut voir ce phénomène au 7^e jour. L’acide δ-aminolévulinique urinaire ou ALA, quant à lui, présente une excrétion plus importante. Dans cette expérience, les effets sur l’hémoglobine, la protoporphyrine du zinc et l’hématocrite de l’arséniure de gallium n’étaient pas notables.

Pour ce qui est du taux sanguin de Glutathion ou GSH, celui-ci a diminué de manière significative au 7^e jour. Néanmoins, il reste inchangé au premier ou au 15^e jour suite à une exposition. La respiration, la pression artérielle, le rythme cardiaque et la contraction en réponse ne changent pas non plus. On remarque toutefois des modifications mineures au 7^e jour après une exposition à 2 000 mg/kg de GaAs. En revanche, le taux de gallium dans le sang chez les rats et les animaux normaux qui ont été exposés à 500 mg/kg n’était pas détectable.

En ce qui concerne le taux d’arsenic dans le sang, celui-ci avait connu une augmentation. Cela a été détectable, de manière dose-dépendante, même à faible dose. Notons que les modifications physiologiques sont réversibles. En effet, une tendance à la récupération a été observée chez tous les animaux exposés. À long terme, on sait néanmoins que l’arsenic est un élément cancérigène.

Par ailleurs, pour le rat, une grande partie du gallium inhalé reste stockée un certain temps dans les poumons. On a donc pu démontrer une toxicité pulmonaire chez le rat de laboratoire exposé à de l’oxyde de gallium par inhalation. Une suspension de particules d’oxyde de gallium équimolaire Ga₂O₃ à 65 mg/kg a été utilisée dans ce sens. Cela semble être lié à un phénomène important de rétention pulmonaire de 36 % à 14 jours après l’exposition.

Écotoxicologie du gallium

Par rapport à l’environnement, la toxicité du gallium est aujourd’hui peu étudiée. En revanche, on sait qu’il en présente, à un niveau spécifique, chez les bactéries. Cette situation se remarque chez le Pseudomonas fluorescens en fonction de l’absence ou de la présence d’oligo-éléments. Ceux-ci peuvent être des phosphates ou du fer. La bactérie concernée possède néanmoins une certaine capacité d’excrétion de gallium.

Le gallium dans les romans

Le gallium prend une place importante dans l’intrigue du roman « Gallium » d’Olivier Marchand. On le représente sous forme de dopage semi-conducteur et de transmutation. Il s’agit d’une histoire racontant un monde privé brutalement de toute forme de technologie moderne.