Il metallo che fonde nel palmo di una mano
Il gallio è l’elemento numero 31 e ha una proprietà che lo rende immediatamente riconoscibile: fonde a 29,76 °C, cioè sotto la temperatura del corpo umano, e un pezzo tenuto in mano diventa liquido. Bolle invece a circa 2.204 °C, quindi ha un intervallo liquido enormemente ampio. Da solido è fragile, si espande solidificando di circa il 3 per cento e ha una forte tendenza al sottoraffreddamento, cioè a restare liquido sotto il proprio punto di fusione.
Puro non serve però come liquido termometrico. A 29,76 °C solidificherebbe alla temperatura di molte stanze, e uno strumento che si blocca prima di essere usato non misura niente. La soluzione è legarlo.
Perché una lega di gallio resta liquida a freddo
Una lega di gallio per impiego termometrico è una miscela eutettica di gallio, indio e stagno, con composizione intorno al 68,5 per cento di gallio, 21,5 di indio e 10 di stagno in massa. Eutettica significa che quella proporzione è la combinazione a cui la miscela ha il punto di fusione più basso possibile per quel sistema, e che passa da solido a liquido a una temperatura sola, senza intervallo pastoso. Il risultato è una lega che fonde intorno a meno 19 °C, quindi resta fluida in tutto l’intervallo d’uso di un termometro clinico e ben oltre.
Le altre grandezze la separano nettamente dal mercurio. La densità è 6,44 g/cm³ a 20 °C, meno della metà dei 13,5 del mercurio. La tensione di vapore è trascurabile, sotto 10 alla meno 8 torr a 500 °C, il che significa che alle temperature d’uso non evapora in pratica. La documentazione dei fabbricanti descrive la lega come non tossica: è una dichiarazione di prodotto e non una monografia di farmacopea, e va letta per quello che è.
Come lavora nel termometro a dilatazione
Lo strumento è un termometro clinico a dilatazione di liquido metallico. Un bulbo di vetro contiene la lega, un capillare sottilissimo ne raccoglie l’espansione e la scala è incisa sul tubo. Fra bulbo e capillare c’è una strozzatura che fa da dispositivo di massimo: quando il bulbo si raffredda la colonna si spezza in quel punto e non rientra, così la lettura resta ferma sul valore raggiunto. Il riferimento tecnico è la norma EN 12470-1:2000+A1:2009, che copre i termometri clinici a liquido metallico in vetro con dispositivo di massimo e ne fissa requisiti di prestazione e metodi di prova.
Il principio è quindi identico a quello dei termometri di una volta, e identico è il gesto che li accompagna: prima di misurare, la colonna va riportata nel bulbo con uno scuotimento. Cambia invece la lettura, perché il liquido è argenteo ma meno brillante del mercurio e il filo nel capillare è sottile: molti di questi termometri portano per questo una lente cilindrica ricavata nel vetro, o un manicotto con lente, che allarga otticamente la colonna e rende leggibile la tacca.
Il gallio bagna il vetro, e questo cambia tutto
Qui sta la differenza che nessuna scheda commerciale spiega. Il mercurio non bagna il vetro: forma un menisco convesso, scorre senza lasciare traccia e si stacca pulito dalla parete. La lega di gallio fa il contrario, perché sulla sua superficie si forma subito uno strato di ossido che aderisce a moltissimi materiali, vetro compreso. Una colonna lasciata a sé lascia scia e non scende da sola.
La contromisura è costruttiva: la parete interna del capillare viene trattata con ossido di gallio, che la rende repellente verso la lega. Anche così lo scarico della colonna richiede uno scuotimento più deciso di quello a cui era abituato chi usava il mercurio, tanto che accanto a questi termometri si trovano piccoli attrezzi fatti apposta per riportare giù la colonna. Il gallio ha inoltre un’altra abitudine da conoscere: diffonde nel reticolo cristallino di molti metalli e attacca l’alluminio. Con il vetro convive, con l’alluminio no.
Le norme che hanno portato il mercurio fuori
Il passaggio non è stato una moda commerciale ma una scelta normativa. La direttiva 2007/51/CE ha vietato l’immissione sul mercato dei termometri per la misurazione della temperatura corporea contenenti mercurio e degli altri strumenti di misura con mercurio destinati alla vendita al grande pubblico, con applicazione dal 3 aprile 2009. Il divieto è poi confluito nella voce 18-bis dell’allegato XVII del regolamento REACH, e il regolamento (UE) n. 847/2012 lo ha esteso a ulteriori dispositivi di misurazione destinati a uso professionale e industriale.
Il quadro generale sul mercurio è oggi il regolamento (UE) 2017/852, che dà attuazione alla convenzione di Minamata e ha abrogato il regolamento (CE) n. 1102/2008, disciplinando uso, fabbricazione, commercio, stoccaggio e rifiuti. La lega di gallio, insomma, non ha vinto una gara tecnica: ha occupato uno spazio che una norma aveva svuotato.
La lega di gallio non è mercurio e non è un sensore
Le tre cose vengono spesso messe sullo stesso piano e non lo sono. Rispetto al mercurio la lega di gallio ha meno della metà della densità, aderisce al vetro, ha un coefficiente di dilatazione diverso e chiede uno scarico della colonna più energico: si comporta in modo simile, non identico.
Rispetto a un termometro elettronico la distanza è ancora maggiore, perché cambia il principio di misura. Un termometro digitale legge la variazione di resistenza di un termistore, uno a infrarossi misura l’energia irraggiata da una superficie: entrambi convertono un segnale elettrico in un numero. Il termometro a lega di gallio non converte niente, mostra direttamente una dilatazione, e non ha batteria né elettronica. Vale infine la pena distinguere questo impiego dagli altri usi del gallio, che non c’entrano nulla: l’arseniuro di gallio nei semiconduttori e gli isotopi di gallio nella diagnostica per immagini appartengono ad altre storie.
