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[[Datei:Galinstan on glass.jpg|mini|Galinstan, verrieben auf Glas]]

'''Galinstan''' ([[Wortmarke]]<ref name="wortmarke">[https://register.dpma.de/DPMAregister/marke/register/396484689/DE Wortmarkeininhaber ist die Geratherm Medical AG]</ref>) ist eine silbrige [[Legierung]] aus [[Gallium]], [[Indium]] und [[Zinn]]. Der Name ist ein [[Kunstwort]] aus '''Gal'''lium, '''In'''dium und '''Stan'''num ({{laS}} für ''Zinn''). Die Legierung ist bei Raumtemperatur flüssig und schmilzt bei einer [[Temperatur]] von ca. −19 °C (Fest-flüssig-Phasenübergang).<ref name=":11">{{Literatur |Autor=Stephan Handschuh-Wang, Tiansheng Gan, Muhammad Rauf, Weifa Yang, Florian J. Stadler, Xuechang Zhou |Titel=The subtle difference between Galinstan (R) and eutectic GaInSn |Sammelwerk=Materialia |Band=26 |Datum=2022-12 |DOI=10.1016/j.mtla.2022.101642 |Seiten=101642 }}</ref>

Galinstan wird in mancher Literatur als die [[Eutektikum|eutektische]] Legierung aus Gallium, Indium und Zinn genannt, diese hat jedoch andere physikalische Eigenschaften.<ref name=":11" />

Galinstan haftet an vielen Materialien, unter anderem auch an [[Glas]]. So können [[Thermometer]] mit Galinstan nur hergestellt werden, wenn das Innere der Röhre zuvor mit [[Gallium(III)-oxid]] beschichtet wird. Die starke Adhäsion auf vielen, auch glatten, Oberflächen ist auf die Galliumoxidschicht zurückzuführen, die sich sehr schnell an Luft bildet.<ref>{{Literatur |Autor=Stephan Handschuh-Wang, Lifei Zhu, Tiansheng Gan, Tao Wang, Ben Wang |Titel=Interfacing of surfaces with gallium-based liquid metals – approaches for mitigation and augmentation of liquid metal adhesion on surfaces |Sammelwerk=Applied Materials Today |Band=21 |Datum=2020-12 |DOI=10.1016/j.apmt.2020.100868 |Seiten=100868 }}</ref>

Ebenso wie [[Quecksilber]] bildet Galinstan leicht Legierungen mit festen Metallen; beispielsweise lässt sich [[Aluminium]] in Galinstan auflösen.

Galinstan besitzt eine sehr große [[Oberflächenspannung]] von ca. 600 mN/m.<ref name=":0">{{Literatur |Autor=Stephan Handschuh-Wang, Florian J. Stadler, Xuechang Zhou |Titel=Critical Review on the Physical Properties of Gallium-Based Liquid Metals and Selected Pathways for Their Alteration |Sammelwerk=The Journal of Physical Chemistry C |Datum=2021-09-09 |DOI=10.1021/acs.jpcc.1c05859 |Seiten=acs.jpcc.1c05859 }}</ref><ref name=":1">{{Literatur |Autor=Stephan Handschuh-Wang, Yuzhen Chen, Lifei Zhu, Xuechang Zhou |Titel=Analysis and Transformations of Room-Temperature Liquid Metal Interfaces – A Closer Look through Interfacial Tension |Sammelwerk=ChemPhysChem |Band=19 |Nummer=13 |Datum=2018 |DOI=10.1002/cphc.201800129 |Seiten=1584–1592 }}</ref><ref name=":2">{{Literatur |Autor=Yuriy Plevachuk, Vasyl Sklyarchuk, Sven Eckert, Gunter Gerbeth, Rada Novakovic |Titel=Thermophysical Properties of the Liquid Ga–In–Sn Eutectic Alloy |Sammelwerk=Journal of Chemical & Engineering Data |Band=59 |Nummer=3 |Datum=2014-02-18 |DOI=10.1021/je400882q |Seiten=757–763 }}</ref> (Im Vergleich: Wasser ca. 72,75 mN/m<ref>{{Literatur |Autor=James K. Beattie, Alex M. Djerdjev, Angus Gray-Weale, Nikola Kallay, Johannes Lützenkirchen |Titel=pH and the surface tension of water |Sammelwerk=Journal of Colloid and Interface Science |Band=422 |Datum=2014-05 |DOI=10.1016/j.jcis.2014.02.003 |Seiten=54–57 }}</ref>, Quecksilber ca. 490 mN/m<ref name=":5">{{Literatur |Autor=B. J. Keene |Titel=Review of data for the surface tension of pure metals |Sammelwerk=International Materials Reviews |Band=38 |Nummer=4 |Datum=1993-01 |DOI=10.1179/imr.1993.38.4.157 |Seiten=157–192 }}</ref>, alle bei 20 °C).

== Zusammensetzung und Schmelzpunkt ==
Galinstan ist eine [[Legierung]] mit den wesentlichen Bestandteilen Gallium (Ga), Indium (In) und Zinn (Sn). In der Literatur wird der Begriff Galinstan manchmal auch für die [[eutektisch]]e Legierung dieser drei Metalle verwendet. Die eutektische Zusammensetzung ([[Massenprozent]]) ist in etwa 68,5 % Ga, 21,5 % In und 10 % Sn.<ref name=":0" /><ref name=":4">{{Literatur |Autor=Hanan Chanaa |Titel=Eine neuartige Metallelektrode als Alternative zur Quecksilberelektrode: Galinstan in der Voltammetrie |Ort=Berlin |Datum=2008 |DNB=1023170396 |URN=nbn:de:kobv:188-fudissthesis000000004871-5 |Kommentar=Dissertation, FU Berlin}}</ref> Verschiedene Quellen nennen kleinere Abweichungen der Massenprozent-Werte. Die eutektische Legierung besitzt einen [[Schmelzpunkt]] von ca. 11 °C, was durch dynamische Differenz-[[Kalorimetrie]] (DSC) und [[rheologie|rheologische]] Messmethoden bestätigt wurde.<ref name=":11" /><ref name=":9" /><ref name="GoodFellow">[http://www.goodfellow.com/G/Gallium-Indium-Zinn.html Angabe auf goodfellow.com]</ref><ref name="alfa">{{Alfa|14634 |Name= |Abruf=2010-12-15}}</ref><ref name="blatter">G. N. van Ingen, J. Kapteijn, J. L. Meijering: ''On the system Gallium–Indium–Tin''. In: ''Scripta Metallurgica.'' 1970, Band 4, Nr. 9, S. 733–736, [[doi:10.1016/0036-9748(70)90215-2]].</ref> Für Galinstan ist oft ein Wert von −19 °C für den Schmelzpunkt angegeben.<ref name=":11" /><ref name=":9" /><ref name=":4" /> Es wurde lange geglaubt, dass dieser Phasenübergang wegen [[Unterkühlung (Thermodynamik)|Unterkühlung]] abweicht.<ref>{{Literatur |Autor=T. Daeneke, K. Khoshmanesh, N. Mahmood, I. A. de Castro, D. Esrafilzadeh, S. J. Barrow, M. D. Dickey, K. Kalantar-zadeh |Titel=Liquid metals: fundamentals and applications in chemistry |Sammelwerk=Chemical Society Reviews |Band=47 |Nummer=11 |Datum=2018 |DOI=10.1039/C7CS00043J |Seiten=4073–4111 }}</ref> – Gallium und dessen Legierungen neigen zu Unterkühlung, d. h. der Gefrierpunkt kann weit niedriger sein als der Schmelzpunkt.<ref>{{Literatur |Autor=Lyman J. Briggs |Titel=Gallium: Thermal Conductivity; Supercooling; Negative Pressure |Sammelwerk=The Journal of Chemical Physics |Band=26 |Nummer=4 |Datum=1957-04-01 |DOI=10.1063/1.1743405 |Seiten=784–786}}</ref> Es werden Gefrierpunkte von −10 bis −21 °C in der Literatur genannt.<ref name=":11" /><ref name=":9" /><ref name=":0" /><ref>{{Literatur |Titel=Identifying surface structural changes in a newly-developed Ga-based alloy with melting temperature below 10 °C |Sammelwerk=Applied Surface Science |Band=492 |Datum=2019-10-30 |DOI=10.1016/j.apsusc.2019.06.203 |Seiten=143–149 }}</ref> Weiterhin wurde in der Fachliteratur auch eine mögliche Änderung der Zusammensetzung und ggf. auch Beimengungen anderer Metalle (z. B. [[Bismut]]) als Grund für die unterschiedlichen Schmelzpunkte genannt. Beimengungen von Bismut, [[Antimon]] und [[Blei]] konnten jedoch ausgeschlossen werden. Vielmehr werden dem technischen Produkt Galinstan zur Verwendung in [[Flüssigkeitsthermometer]]n geringe Mengen Fließmittel zugesetzt, was den Unterschied der Schmelztemperaturen auslöst.<ref name=":11" /> Daher ist Galinstan im Sinne des Markeninhabers („Im wesentlichen aus unedlen Metallen bestehende Legierungen, insbesondere Galliumlegierungen“<ref name="wortmarke"/>) keine eutektische Legierung.<ref name=":11" /> Das Fließmittel dient hierbei nicht nur dem Absenken des Schmelzpunktes, sondern auch der Verringerung der [[Oberflächenspannung]] (von ca. 600 auf ca. 535 mN/m)<ref name=":11" /> und Beeinflussung der Fließeigenschaften.

== Physikalische Eigenschaften ==
Galinstan ist eine silberfarbene, bei Raumtemperaturen flüssige Legierung<ref name="msds" /> aus 68,5 % Ga, 21,5 % In und 10,0 % Sn und weist folgende physikalische Eigenschaften auf:<ref name=":0" />
* [[Ausdehnungskoeffizient|Thermischer Volumenausdehnungskoeffizient]]: 0,000126 K−1
* [[Dichte]]: 6,44 g·cm−3<ref name="msds">{{Webarchiv |url=http://www.rgmd.com/msds/msds.pdf |text=MSDS Galinstan (Herstellerwebseite) |wayback=20130923003113 |archiv-bot=}} (PDF; 81 kB)</ref>
* [[Schmelzpunkt]]: 10,5–11 °C (Eutektikum<ref name=":0" /><ref name=":9">{{Literatur |Titel=Solidification and melting phase change behavior of eutectic gallium-indium-tin |Sammelwerk=Materialia |Band=8 |Datum=2019-12-01 |DOI=10.1016/j.mtla.2019.100512 |Seiten=100512 }}</ref>), −19,5 °C (<ref name="resintech">[https://www.resintech.com/applications/gallium-reduktion/?lang=de Gallium-Reduktion, Mitteilung zu Verwendung von Gallium] der Firma ''ResinTech, inc.'', abgerufen am 18. Jan. 2023</ref>)
* [[Siedepunkt]]: > 1300 °C<ref name="msds" />
* [[Dampfdruck]]: <10−8 Torr (bei 500 °C)<ref name="msds" />
* [[Löslichkeit]]: unlöslich in Wasser und organischen Lösungsmitteln<ref name="msds" />
* [[Oberflächenspannung]]: 587–605 mN/m<ref name=":0" /><ref name=":1" /><ref name=":2" />
* (dynamische) Viskosität: ca. 0,0203 [[Poise|P]],<ref name=":2" /> Werte zwischen 0,019 und 0,024 P sind in der Literatur genannt.<ref name=":0" />
* [[Elektrische Leitfähigkeit]]: 0,33–0,34·105 S/cm<ref name=":0" /><ref name=":2" /><ref name=":3">{{Literatur |Autor=Seungho Yu, Massoud Kaviany |Titel=Electrical, thermal, and species transport properties of liquid eutectic Ga-In and Ga-In-Sn from first principles |Sammelwerk=The Journal of Chemical Physics |Band=140 |Nummer=6 |Datum=2014-02-11 |DOI=10.1063/1.4865105 |Seiten=064303 }}</ref>
* [[Wärmeleitfähigkeit]]: 24,9–25,4 W/m·K<ref name=":0" /><ref name=":3" /><ref name=":6">{{Literatur |Autor=Wilson Kong, Zhongyong Wang, Meng Wang, Kenneth C. Manning, Aastha Uppal |Titel=Oxide-Mediated Formation of Chemically Stable Tungsten–Liquid Metal Mixtures for Enhanced Thermal Interfaces |Sammelwerk=Advanced Materials |Band=31 |Nummer=44 |Datum=2019 |DOI=10.1002/adma.201904309 |Seiten=1904309 }}</ref>
* [[Spezifische Wärmekapazität]]: 295–390 J/kg·K<ref name=":0" /><ref name=":10">{{Literatur |Titel=Experimental investigation of galinstan based minichannel cooling for high heat flux and large heat power thermal management |Sammelwerk=Energy Conversion and Management |Band=185 |Datum=2019-04-01 |DOI=10.1016/j.enconman.2019.02.010 |Seiten=248–258 }}</ref>

Zu einigen physikalischen Eigenschaften gibt es widersprüchliche Angaben<ref name=":0" />. Das betrifft Schmelztemperatur, Oberflächenspannung, Viskosität und Wärmeleitfähigkeit. Beim Schmelzpunkt ist eventuell die Diskrepanz zwischen Schmelz- und Gefrierpunkt wegen Unterkühlung die Ursache. Die hohe Reaktivität von Galinstan (und auch anderen Gallium-basierten Legierungen) ist vermutlich ein Grund für die große Streuung aller Messwerte. Gallium und seine Legierungen bilden an Luft und auch in Wasser eine selbst-limitierende Oxidschicht, die das Metall am Fließen hindert.<ref>{{Literatur |Autor=Michael D. Dickey, Ryan C. Chiechi, Ryan J. Larsen, Emily A. Weiss, David A. Weitz |Titel=Eutectic Gallium-Indium (EGaIn): A Liquid Metal Alloy for the Formation of Stable Structures in Microchannels at Room Temperature |Sammelwerk=Advanced Functional Materials |Band=18 |Nummer=7 |Datum=2008-04-11 |DOI=10.1002/adfm.200701216 |Seiten=1097–1104}}</ref> Die Änderung der Oberflächeneigenschaften und die veränderten Adhäsions-/Benetzungseigenschaften wirken sich auf die Messung der physikalischen Eigenschaften aus. Zum Beispiel werden Werte zwischen 535 mN/m und 718 mN/m für die Oberflächenspannung von Galinstan in der Literatur genannt.<ref>{{Literatur |Autor=Tingyi Liu, Prosenjit Sen, Chang-Jin Kim |Titel=Characterization of Nontoxic Liquid-Metal Alloy Galinstan for Applications in Microdevices |Sammelwerk=Journal of Microelectromechanical Systems |Band=21 |Nummer=2 |Datum=2012-04 |DOI=10.1109/JMEMS.2011.2174421 |Seiten=443–450 }}</ref><ref>{{Literatur |Autor=V. Ya. Prokhorenko, V. V. Roshchupkin, M. A. Pokrasin, S. V. Prokhorenko, V. V. Kotov |Titel=[No title found] |Sammelwerk=High Temperature |Band=38 |Nummer=6 |Datum=2000 |DOI=10.1023/A:1004157827093 |Seiten=954–968}}</ref><ref>{{Literatur |Autor=Rebecca K. Kramer, J. William Boley, Howard A. Stone, James C. Weaver, Robert J. Wood |Titel=Effect of Microtextured Surface Topography on the Wetting Behavior of Eutectic Gallium–Indium Alloys |Sammelwerk=Langmuir |Band=30 |Nummer=2 |Datum=2014-01-21 |DOI=10.1021/la404356r |Seiten=533–539}}</ref> Ein Wert von 718 mN/m ist jedoch unwahrscheinlich – Gallium besitzt eine Oberflächenspannung von ca. 711 mN/m.<ref name=":5" />, durch Legieren mit Indium (ca. 560 mN/m) oder Zinn (ca. 560 mN/m) verringert sich die Oberflächenspannung. Bei Gallium-Zinn ist zu sehen, dass sich die Oberflächenspannung durch Zugabe von Zinn von ca. 700 mN/m kontinuierlich auf ca. 540 mN/m (reines Zinn) verringert (Werte für 723 K).<ref>{{Literatur |Autor=Tomasz Gancarz |Titel=Density, surface tension and viscosity of Ga-Sn alloys |Sammelwerk=Journal of Molecular Liquids |Band=241 |Datum=2017-09 |DOI=10.1016/j.molliq.2017.06.002 |Seiten=231–236 }}</ref> Daher sollte die Oberflächenspannung von Galinstan weit niedriger sein als die Oberflächenspannung von reinem Gallium. Darüber hinaus ist die Oberflächenspannung meist nicht niedriger als die niedrigste Oberflächenspannung der reinen Metalle. Daher ist ein Wert von 535 mN/m auch unwahrscheinlich. Vielmehr sollte der Wert für Galinstan nahe am Wert für das Eutektikum Gallium-Indium (EGaIn) liegen (624 mN/m<ref>{{Literatur |Autor=D. Zrnic, D.S. Swatik |Titel=On the resistivity and surface tension of the eutectic alloy of gallium and indium |Sammelwerk=Journal of the Less Common Metals |Band=18 |Nummer=1 |Datum=1969-05 |DOI=10.1016/0022-5088(69)90121-0 |Seiten=67–68 }}</ref>) Als Gründe für die weite Streuung ist zum einen die starke Neigung von Galinstan zur Oxidierung zu nennen. Oxidation verringert die Oberflächenspannung, jedoch ist diese dann sehr schwer zu messen, da durch die Haut die Form eines Galinstantropfens nicht mehr im Gleichgewicht ist.<ref name=":7">{{Literatur |Autor=Stephan Handschuh-Wang, Tiansheng Gan, Tao Wang, Florian J. Stadler, Xuechang Zhou |Titel=Surface Tension of the Oxide Skin of Gallium-Based Liquid Metals |Sammelwerk=Langmuir |Band=37 |Nummer=30 |Datum=2021-08-03 |DOI=10.1021/acs.langmuir.1c00966 |Seiten=9017–9025}}</ref> Mithilfe von Vibrationen wurde 2021 die Oberflächenspannung von Galinstan (und EGaIn) ''mit Oxidschicht'' zu circa 360 mN/m gemessen.<ref name=":7" /> Daher sind die Ausbildung der Fließgrenze und die Verringerung der Oberflächenspannung durch Oxidation vermutlich die Hauptgründe für unterschiedliche Literaturwerte der Oberflächenspannung. Einige niedrige Werte sind auf das Messen von Galinstan (das technische Produkt) anstatt dem eutektischen Ga-In-Sn zurückzuführen.<ref name=":11" />

Oft wird in der Literatur ein Wert von 15 W/(m·K) für die Wärmeleitfähigkeit angegeben. Dieser Wert ist jedoch geringer als der Wert für die Wärmeleitfähigkeit von EGaIn (ca. 26 W/(m·K)),<ref name=":8">{{Literatur |Autor=Seungho Yu, Massoud Kaviany |Titel=Electrical, thermal, and species transport properties of liquid eutectic Ga-In and Ga-In-Sn from first principles |Sammelwerk=The Journal of Chemical Physics |Band=140 |Nummer=6 |Datum=2014-02-14 |DOI=10.1063/1.4865105 |Seiten=064303}}</ref> obwohl Galinstan und EGaIn eine ähnliche Zusammensetzung aufweisen und beide eine elektrische Leitfähigkeit von ca. 0,34·105 S/cm aufweisen.<ref name=":2" /><ref name=":3" /><ref name=":8" /> Laut dem [[Wiedemann-Franzsches Gesetz|Wiedemann-Franz-Lorenz Gesetz]] ist die elektrische Leitfähigkeit mit der thermischen Leitfähigkeit verknüpft. Andere Messungen der thermischen Leitfähigkeit von Galinstan ergaben einen Wert von ca. 25 W/(m·K), was eher im Einklang mit dem Wiedemann-Franz-Lorenz Gesetz ist.<ref name=":3" /><ref name=":6" /> Mögliche Ursachen für abweichende Werte sind das fehlerhafte Benetzen von Oberflächen, auch durch Oxidschichten. Das technische Produkt Galinstan weist eine geringere elektrische und thermische Leitfähigkeit auf als das eutektische Ga-In-Sn.<ref name=":11" />

== Verwendung ==
[[Datei:Galinstan-Fieberthermometer.jpg|mini|Galinstan-[[Fieberthermometer]] von [[Geratherm]]]]
Galinstan wird vor allem als ungiftiger Ersatz in vielen Anwendungen eingesetzt, bei denen flüssiges [[Quecksilber]] oder [[Natrium]]-[[Kalium]]-[[Eutektikum]] ([[NaK]]) verwendet wurde; unter anderem für Fieberthermometer.

Da es sich bei Galinstan um eine flüssige Metall-Legierung handelt, wird in der wissenschaftlichen Forschung die Anwendung von Galinstan und nicht-toxischer flüssiger Metalle wegen ihrer Verformbarkeit für flexible und dehnbare Elektronik,<ref>{{Literatur |Autor=Suqing Liang, Yaoyao Li, Yuzhen Chen, Jinbin Yang, Taipeng Zhu |Titel=Liquid metal sponges for mechanically durable, all-soft, electrical conductors |Sammelwerk=Journal of Materials Chemistry C |Band=5 |Nummer=7 |Datum=2017 |DOI=10.1039/c6tc05358k |Seiten=1586–1590 }}</ref> für flexible Schalter<ref>{{Literatur |Autor=Yuzhen Chen, Tingjiao Zhou, Yaoyao Li, Lifei Zhu, Stephan Handschuh-Wang |Titel=Robust Fabrication of Nonstick, Noncorrosive, Conductive Graphene-Coated Liquid Metal Droplets for Droplet-Based, Floating Electrodes |Sammelwerk=Advanced Functional Materials |Band=28 |Nummer=8 |Datum=2018-01-15 |DOI=10.1002/adfm.201706277 |Seiten=1706277 }}</ref> und als thermisches Grenzflächen-Material<ref>{{Literatur |Autor=Michael D. Bartlett, Navid Kazem, Matthew J. Powell-Palm, Xiaonan Huang, Wenhuan Sun |Titel=High thermal conductivity in soft elastomers with elongated liquid metal inclusions |Sammelwerk=Proceedings of the National Academy of Sciences |Band=114 |Nummer=9 |Datum=2017-02-13 |DOI=10.1073/pnas.1616377114 |Seiten=2143–2148 }}</ref> (siehe auch eng. thermal interface material) untersucht.



== Weblinks ==
{{Commonscat}}

== Einzelnachweise ==
<references responsive />

[[Kategorie:Gallium]]
[[Kategorie:Indium]]
[[Kategorie:Zinnlegierung]]
[[Kategorie:Markenname]]

Galinstan - Versionsgeschichte

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