Křemík je prvek, kterému vděčíme za počítač, na kterém čtete tato slova. Tento mimořádně běžný prvek, který je důležitou součástí mikroelektroniky a počítačových čipů, je také zodpovědný za teplé bílé pláže – oxid křemičitý, křemík, je nejběžnější složkou písku.
Podle Královské chemické společnosti je křemík sedmým nejrozšířenějším prvkem ve vesmíru a po kyslíku druhým nejrozšířenějším prvkem na planetě. Asi 25 % zemské kůry tvoří křemík. Kromě počítačových čipů má křemík mnoho využití; mezi podivnější místa, kde se tento prvek objevuje, patří menstruační kalíšky, prsní implantáty a kuchyňské chňapky – v podobě silikonu.
Čím je křemík tak výjimečný, že je po něm pojmenováno celé údolí v Kalifornii?
Jen fakta
- Atomové číslo (počet protonů v jádře): 14
- Atomový symbol (v periodické tabulce prvků): Si
- Atomová hmotnost (průměrná hmotnost atomu): 28,09
- Hustota: 2,3296 gramů na centimetr krychlový
- Fáze při pokojové teplotě:
- Teplota tání: 2 577 stupňů Fahrenheita (1 414 stupňů Celsia)
- Teplota varu: 5 909 stupňů F (3 265 stupňů C)
- Počet izotopů (atomy téhož prvku s různým počtem neutronů): 24
- Nejběžnější izotop: Křemík je 14. prvek periodické tabulky prvků. (Obrázek: Andrei Marincas )
Křemík polovodič
V přírodě není křemík žádný samotář. Obvykle ho najdeme spojený s dvojicí molekul kyslíku jako oxid křemičitý, jinak známý jako oxid křemičitý. Křemen, hojná složka písku, je tvořen nekrystalizovaným oxidem křemičitým.
Křemík není ani kov, ani nekov; je to metaloid, prvek, který se nachází někde mezi nimi. Kategorie metaloidu je něco jako šedá zóna, neexistuje žádná pevná definice toho, co do ní spadá, ale obecně mají metaloidy vlastnosti jak kovů, tak nekovů. Vypadají jako kovy, ale elektřinu vedou jen zprostředkovaně. Křemík je polovodič, což znamená, že vede elektřinu. Na rozdíl od typického kovu však křemík vede elektřinu lépe s rostoucí teplotou (kovy mají při vyšších teplotách horší vodivost).
Křemík poprvé izoloval v roce 1824 švédský chemik Jöns Jacob Berzelius, který podle Chemical Heritage Foundation objevil také cer, selen a thorium. Podle Thomas Jefferson National Accelerator Facility Berzelius zahříval oxid křemičitý s draslíkem, aby křemík vyčistil, ale dnes se při rafinaci zahřívá uhlík s oxidem křemičitým ve formě písku, aby se prvek izoloval.
Křemík je hlavní složkou výtvorů velmi nízké technologie, včetně cihel a keramiky. V high-tech věcech se však tento prvek skutečně prosazuje. Jako polovodič se křemík používá k výrobě tranzistorů, které zesilují nebo přepínají elektrický proud a jsou základem elektroniky od rádií po iPhony.
Křemík se různými způsoby používá v solárních článcích a počítačových čipech, přičemž jedním z příkladů je metal-oxid-polovodičový tranzistor s polem, neboli MOSFET, základní spínač v mnoha elektronických zařízeních. Podle Lawrence Livermore National Laboratory se křemík pro výrobu tranzistoru v krystalické formě falšuje stopovým množstvím jiných prvků, například bóru nebo fosforu. Podle Virginské univerzity se stopové prvky spojí s atomy křemíku a uvolní elektrony, které se mohou pohybovat po celém materiálu.
Vytvořením prostorů z nefalšovaného křemíku mohou inženýři vytvořit mezeru, kudy tyto elektrony nemohou proudit – jako vypínač v poloze „vypnuto“.
Aby se vypínač přepnul do polohy „zapnuto“, umístí se do blízkosti krystalu kovová destička připojená ke zdroji energie. Když proudí elektřina, deska se nabije kladně. Elektrony, které jsou nabité záporně, jsou přitahovány ke kladnému náboji, což jim umožní provést skok přes segment čistého křemíku. (V tranzistorech lze kromě křemíku použít i jiné polovodiče.)
Kdo by to byl řekl?
- Když astronauti Apolla 11 v roce 1969 přistáli na Měsíci, zanechali po sobě bílý váček obsahující křemíkový disk o něco větší než stříbrný dolar. Mikroskopickým písmem je na disku napsáno 73 vzkazů, každý z jiné země, vyjadřujících přání dobré vůle a míru.
- Silikon není totéž co silikon, ten slavný polymer, který se nachází v prsních implantátech, menstruačních kalíšcích a další lékařské technice. Silikon se skládá z křemíku spolu s kyslíkem, uhlíkem a vodíkem. Protože silikon dobře odolává teplu, stále častěji se používá k výrobě kuchyňských pomůcek, jako jsou kuchyňské chňapky a plechy na pečení.
- Silikon může být nebezpečný. Při dlouhodobém vdechování může způsobit plicní onemocnění známé jako silikóza.
- Milujete duhovku opálu? Poděkujte křemíku. Tento drahokam je formou oxidu křemičitého spojeného s molekulami vody.
- Karbid křemíku (SiC) je podle Institutu materiálů, minerálů a hornictví téměř stejně tvrdý jako diamant. Na Mohsově stupnici tvrdosti se řadí na 9-9,5 stupně, což je o něco méně než diamant, který má tvrdost 10.
- Rostliny používají křemík ke zpevnění svých buněčných stěn. Podle článku v časopise Proceedings of the National Academy of Sciences z roku 1994 je tento prvek zřejmě důležitou živinou, která přispívá k odolnosti vůči chorobám.
- Křemíkové údolí získalo své jméno podle křemíku používaného v počítačových čipech. Poprvé se tato přezdívka objevila v roce 1971 v novinách „Electronic News“.
- Podle vědců z Caltechu nemusí být život založený na křemíku, stejně jako Horta ze Star Treku, úplně sci-fi. Dřívější výzkumy ukázaly, že křemík lze začlenit do molekul na bázi uhlíku, jako jsou například bílkoviny.
Současný výzkum
Dnešní výzkum křemíku zní jen jako sci-fi: V roce 2006 vědci oznámili, že vytvořili počítačový čip, který spojil křemíkové komponenty s mozkovými buňkami. Elektrické signály z mozkových buněk mohly být přenášeny do elektronických křemíkových komponent čipu a naopak. Doufají, že nakonec vytvoří elektronické zařízení pro léčbu neurologických poruch.
Studie z roku 2018, která vyšla v časopise Nature, testuje nový typ kvantového zařízení vyrobeného z křemíku. Kvantové počítače se jednou mohou stát normou a svou schopností provádět výpočty paralelně předčí současnou počítačovou technologii. Vytváření těchto zařízení stejnými technikami, jakými se vytvářejí tradiční křemíkové čipy, by mohlo urychlit vývoj těchto zařízení, což by mohlo vést k novému využití kvantových zařízení.
Křemík je také příslibem při vytváření neuvěřitelně malých laserů zvaných nanoneedles, které lze použít k přenosu dat rychleji a efektivněji než tradiční optické kabely. Supravodičové lasery odvádějí teplo mnohem snadněji než lasery skleněné, uvedl John Badding, materiálový chemik z Penn State University. To znamená, že se mohou pochlubit větším výkonem než tradiční lasery.
Badding a jeho tým také pracují na vytvoření nové generace optických vláken, která integrují supravodiče namísto pouhého skla, řekl v rozhovoru pro Live Science.
„Polovodiče mají celou řadu vlastností, které se skly prostě získat nedají,“ řekl Badding. Mít polovodičové materiály zabudované v optických vláknech by umožnilo zahrnout do těchto kabelů minielektroniku, která je klíčová pro přenos informací na velké vzdálenosti. Polovodičové kabely by také umožnily manipulaci se světlem ve vlákně, dodal Badding.
Tradiční křemíkové čipy se vyrábějí nanášením vrstev prvku na rovný povrch, obvykle se začíná s plynným prekurzorem, jako je silan (SiH4), a plyn se nechá ztuhnout, řekl Badding. Kabely jsou naproti tomu tažené. Chcete-li vyrobit skleněný optický kabel, začnete se skleněnou tyčinkou, zahřejete ji a pak ji vytáhnete jako taffy, čímž ji prodloužíte do dlouhého, tenkého vlákna.
Badding a jeho kolegové přišli na způsob, jak dostat polovodiče do tohoto tvaru připomínajícího špagety. Používají tažená skleněná vlákna s malými otvory a pak pod vysokým tlakem stlačí plyny, jako je silan, aby je do těchto prostor vtlačili.
„Bylo by to jako naplnit zahradní hadici, která vede z Penn State do New Yorku, zcela plnou křemíku,“ řekl Badding. „Člověk by si myslel, že se věci ucpou a zaneřádí, ale nestane se tak.“
Výsledná polovodičová vlákna jsou třikrát až čtyřikrát tenčí než lidský vlas. Badding a jeho tým experimentují také s dalšími polovodiči, jako je selenid zinečnatý (zinek a selen), aby vytvořili vlákna s dosud nevídanou kapacitou.
Více o křemíku:
- Pro zábavný a zajímavý pohled na historii Silicon Valley, včetně informací o mozcích a produktech, které se podílely na vzniku high-tech startupů, se podívejte na interaktivní časovou osu NPR Silicon Valley.
- V periodické tabulce prvků jsou si sice blízko, ale křemík a uhlík jsou odlišné chemické bestie. Zde je pohled společnosti Dow Corning na jejich rozdíly, které se omezují na to, že jeden je organický a druhý anorganický.
- HowStuffWorks má skvělý přehled toho, jak polovodiče fungují a jak je křemík hlavním hráčem.
- Chcete zjistit, jak se vyrábějí slavné čipy Intel, samozřejmě z křemíku? Tato technologická společnost popisuje historii svých čipů, jak se v průběhu času měnily, jak se vyrábějí a jak fungují.
Doplňuje Rachel Rossová, spolupracovnice Live Science.
Aktuální zprávy
{{název článku }}.