L'espansione di alcune sostanze durante il congelamento è un comportamento anomalo che si verifica a causa di specifiche disposizioni atomiche e caratteristiche di legame. A differenza della maggior parte dei materiali che si contraggono quando solidificano, gallio, silicio e bismuto mostrano un'espansione di volume quando passano dallo stato liquido a quello solido. Ecco le ragioni dietro la loro espansione sul congelamento:

Gallio:

Il gallio subisce una transizione di fase unica durante la solidificazione. Si trasforma da una struttura cubica a facce centrate (fcc) ad alta temperatura a una struttura ortorombica a bassa temperatura. Questo cambiamento comporta una riorganizzazione degli atomi in modo tale da risultare in una disposizione più allentata nello stato solido rispetto allo stato liquido. Questo aumento della spaziatura atomica provoca l'espansione del gallio quando si congela.

Silicio:

Anche il silicio subisce una transizione di fase dopo il congelamento, simile al gallio. Il silicio liquido ad alta temperatura ha una struttura cubica diamantata, mentre la forma solida adotta una struttura cubica a facce centrate (fcc). Questo cambiamento nella disposizione atomica crea una struttura solida meno densa rispetto a quella liquida, portando all'espansione durante il congelamento.

Bismuto:

L'espansione del bismuto nel congelamento è attribuita a un fenomeno chiamato "cristallizzazione con un cambio di numero di coordinazione". Allo stato liquido, gli atomi di bismuto sono disposti in modo più compatto, con ciascun atomo che forma tre legami covalenti con gli atomi vicini. Dopo il congelamento, il bismuto passa in una struttura cristallina romboedrica in cui ciascun atomo forma cinque legami covalenti. Questo aumento del numero di coordinazione richiede più spazio, con conseguente espansione del bismuto mentre si congela.

Questi comportamenti anomali di espansione di gallio, silicio e bismuto hanno importanti implicazioni in varie applicazioni. Ad esempio, l'espansione del gallio dopo il congelamento lo rende utile come sigillante in applicazioni ad alta temperatura, come valvole e pompe, dove è richiesta una tenuta perfetta anche a temperature elevate. Allo stesso modo, l'espansione del silicio durante la solidificazione viene utilizzata nell'industria dei semiconduttori per creare modifiche indotte da deformazioni alle proprietà elettroniche dei dispositivi al silicio.

Vale la pena notare che, sebbene gallio, silicio e bismuto siano esempi notevoli di sostanze che si espandono durante il congelamento, non sono gli unici. Anche alcuni altri elementi e composti, come l'acqua e l'antimonio, mostrano questo comportamento insolito. Comprendere queste proprietà eccezionali è fondamentale in vari campi della scienza e dell'ingegneria, tra cui la scienza dei materiali, la chimica e la metallurgia.