Free Press

Silicium er det element, som vi kan takke for den computer, du bruger til at læse disse ord. Dette ekstremt almindelige grundstof er en vigtig komponent i mikroelektronik og computerchips og er også ansvarlig for varme, hvide strande – siliciumdioxid, en siliciumoxid, er den mest almindelige bestanddel af sand.

Silicium er ifølge Royal Society of Chemistry det syvende hyppigst forekommende grundstof i universet og det næsthyppigste grundstof på planeten efter oxygen. Omkring 25 procent af Jordens skorpe består af silicium. Ud over computerchips har silicium mange anvendelsesmuligheder; mærkeligere steder, hvor dette grundstof forekommer, omfatter menstruationskopper, brystimplantater og grydelapper – i form af silikone.

Hvad gør silicium så specielt, at det har en hel dal i Californien opkaldt efter det? Læs videre.

Fakta

• Atomnummer (antal protoner i kernen): 14
• Atomsymbol (i det periodiske system af grundstoffer): 14
• Atomsymbol (i det periodiske system af grundstoffer): Si
• Atomvægt (atomets gennemsnitlige masse): 28,09
• Densitet: 2,3296 gram pr. kubikcentimeter
• Fase ved stuetemperatur: Fast stof
• Smeltepunkt: 2.577 grader Fahrenheit (1.414 grader Celsius)
• Kogningspunkt: 5.909 grader F (3.265 grader C)
• Antal isotoper (atomer af samme grundstof med et forskelligt antal neutroner): 24
• Mest almindelige isotop: 24
• Si-28 (92 procent naturlig hyppighed)

Silicium den halvleder

I naturen er silicium ikke en sjældenhed. Det findes normalt sammenkoblet med et par iltmolekyler som siliciumdioxid, også kendt som silica. Kvarts, en rigelig ingrediens i sand, består af ikke-krystalliseret silica.

Silicium er hverken metal eller ikke-metal; det er et metalloid, et grundstof, der ligger et sted mellem de to. Kategorien metalloid er noget af en gråzone, hvor der ikke er nogen fast definition af, hvad der passer ind, men metalloider har generelt egenskaber som både metaller og ikke-metaller. De ser metalliske ud, men leder kun midlertidigt elektricitet godt. Silicium er en halvleder, hvilket betyder, at det leder elektricitet. I modsætning til et typisk metal bliver silicium imidlertid bedre til at lede elektricitet, når temperaturen stiger (metaller bliver dårligere til at lede elektricitet ved højere temperaturer).

Silicium blev først isoleret i 1824 af den svenske kemiker Jöns Jacob Berzelius, som også opdagede cerium, selen og thorium, ifølge Chemical Heritage Foundation. Berzelius opvarmede siliciumdioxid med kalium for at rense silicium, ifølge Thomas Jefferson National Accelerator Facility, men i dag opvarmer raffineringsprocessen kulstof med siliciumdioxid i form af sand for at isolere grundstoffet.

Silicium er en hovedingrediens i meget lavteknologiske kreationer, herunder mursten og keramik. Men det er i de højteknologiske ting, at grundstoffet virkelig gør sig bemærket. Som halvleder bruges silicium til at fremstille transistorer, der forstærker eller omskifter elektriske strømme og er rygraden i elektronik fra radioer til iPhones.

Silicium bruges på forskellige måder i solceller og computerchips, hvor et eksempel er en metal-oxid-semiconductor field effect transistor eller MOSFET, som er den grundlæggende omskifter i meget elektronik. For at gøre silicium til en transistor forfalskes den krystallinske form af grundstoffet med spor af andre grundstoffer, såsom bor eller fosfor, ifølge Lawrence Livermore National Laboratory. Sporelementerne binder sig til siliciumatomerne og frigør elektroner, der kan bevæge sig rundt i materialet, oplyser University of Virginia.

Gennem at skabe rum af uforfalsket silicium kan ingeniører skabe et hul, hvor disse elektroner ikke kan strømme – ligesom en afbryder i “slukket” position.

For at slå afbryderen til “tændt” placeres en metalplade, der er forbundet til en strømkilde, i nærheden af krystallen. Når elektriciteten strømmer, bliver pladen positivt ladet. Elektroner, som er negativt ladede, tiltrækkes af den positive ladning, så de kan tage springet over det rene siliciumsegment. (Der kan også anvendes andre halvledere end silicium i transistorer.)

Hvem vidste det?

• Da Apollo 11-astronauterne landede på månen i 1969, efterlod de en hvid pose med en siliciumskive, der var lidt større end en sølvdollar. På skiven er der med mikroskopisk skrift skrevet 73 beskeder, hver fra et andet land, der udtrykker ønsker om god vilje og fred.
• Silicium er ikke det samme som silikone, den berømte polymer, der findes i brystimplantater, menstruationskopper og anden medicinsk teknologi. Silikone består af silicium sammen med ilt, kulstof og brint. Fordi det modstår varme så godt, er silikone i stigende grad blevet brugt til at fremstille køkkenredskaber som f.eks. grydelapper og bageplader.
• Silikone kan være farligt. Når det indåndes i længere tid, kan det forårsage en lungesygdom, der kaldes silikose.
• Er du vild med de iriserende farver i en opal? Tak silicium. Ædelstenen er en form for siliciumdioxid bundet med vandmolekyler.
• Siliciumcarbid (SiC) er næsten lige så hårdt som en diamant, ifølge Institute of Materials, Minerals, and Mining. Det rangerer en 9-9,5 på Mohs hårdhedsskala, hvilket er lidt mindre end diamant, som har en hårdhed på 10.
• Planter bruger silicium til at styrke deres cellevægge. Grundstoffet synes at være et vigtigt næringsstof, der er med til at give modstandsdygtighed over for sygdomme, ifølge en artikel fra 1994 i tidsskriftet Proceedings of the National Academy of Sciences.
• Silicon Valley har fået sit navn efter det silicium, der anvendes i computerchips. Kaldenavnet optrådte første gang i 1971 i avisen “Electronic News.”
• Siliciumbaseret liv, som Horta fra “Star Trek”, er måske ikke helt science fiction, mener forskere fra Caltech. Tidlig forskning har vist, at silicium kan inkorporeres i kulstofbaserede molekyler som f.eks. proteiner.

Aktuel forskning

Den nuværende siliciumforskning lyder lige knap så sci-fi: I 2006 meddelte forskere, at de havde skabt en computerchip, der smeltede siliciumkomponenter sammen med hjerneceller. Elektriske signaler fra hjernecellerne kunne overføres til de elektroniske siliciumkomponenter i chippen og omvendt. Håbet er, at man på et tidspunkt kan skabe elektroniske enheder til behandling af neurologiske lidelser.

I en undersøgelse fra 2018, der blev offentliggjort i Nature, testes en ny type kvanteenhed fremstillet af silicium. Kvantecomputere kan en dag blive normen og overgå den nuværende computerteknologi med evnen til at udføre beregninger parallelt. Oprettelse af disse enheder ved hjælp af de samme teknikker til fremstilling af traditionelle siliciumchips kan fremskynde udviklingen af disse enheder, hvilket potentielt kan føre til nye anvendelser af kvanteenheder.

Silicium er også lovende i forbindelse med skabelsen af utroligt små lasere kaldet nanonåle, som kan bruges til at overføre data hurtigere og mere effektivt end traditionelle optiske kabler. Superlederlasere afgiver varme meget lettere end glaslasere, siger John Badding, der er materialekemiker ved Penn State University. Det betyder, at de kan prale af mere kraft end traditionelle lasere.

Badding og hans team arbejder også på at skabe næste generation af optiske fibre, der integrerer superledere i stedet for blot glas, sagde han til Live Science.

“Halvledere har en lang række egenskaber, som man bare ikke kan få med glas,” sagde Badding. At have halvledermaterialer indlejret i optiske fibre ville give mulighed for mini-elektronik inkluderet i disse kabler, som er afgørende for at sende information over lange afstande. Halvlederkabler ville også gøre det muligt at manipulere lyset i fiberen, tilføjede Badding.

Traditionelle siliciumchips fremstilles ved at deponere lag af elementet på en flad overflade, som regel ved at starte med en prækursorgas som silan (SiH4) og lade gassen størkne, sagde Badding. Kabler, på den anden side, er trukket. For at lave et glasfiberoptisk kabel ville man begynde med en glasstang, opvarme den og derefter trække den ud som taffy og forlænge den til en lang, tynd tråd.

Badding og hans kolleger har fundet ud af en måde at få halvledere ind i denne spaghettilignende form. De bruger trukket glasfibre med små huller og komprimerer derefter gasser som f.eks. silan under højt tryk for at tvinge dem ind i disse rum.

“Det ville være som at fylde en haveslange, der går fra Penn State til New York, helt fast med silicium”, siger Badding. “Man skulle tro, at tingene ville blive tilstoppet og ødelagt, men det gør de ikke.”

De resulterende halvledertråde er tre til fire gange tyndere end et menneskehår. Badding og hans team eksperimenterer også med andre halvledere, f.eks. zinkselenid (zink og selen) for at skabe fibre med en kapacitet, der aldrig er set før.

Mere om silicium:

• For et sjovt og interessant indblik i Silicon Valleys historie, herunder oplysninger om de hjerner og produkter, der er involveret i skabelsen af de højteknologiske startups, kan du se NPR’s interaktive tidslinje om Silicon Valley.
• De ligger måske tæt på hinanden på det periodiske system af grundstoffer, men silicium og kulstof er forskellige kemiske bæster. Her er et kig fra Dow Corning på deres forskelle, som går ud på, at det ene er organisk og det andet uorganisk.
• HowStuffWorks har en god oversigt over, hvordan halvledere fungerer, og hvordan silicium er en vigtig spiller.
• Vil du finde ud af, hvordan de berømte Intel-chips, der selvfølgelig er lavet af silicium, er lavet? Teknologivirksomheden beskriver historien om deres chips, hvordan de har ændret sig gennem tiden, hvordan de er fremstillet, og hvordan de fungerer.

Den supplerende rapportering af Rachel Ross, bidragyder til Live Science.