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Il silicio è l’elemento da ringraziare per il computer che stai usando per leggere queste parole. Un componente cruciale nella microelettronica e nei chip dei computer, questo elemento estremamente comune è anche responsabile delle calde spiagge bianche – la silice, un ossido di silicio, è il componente più comune della sabbia.

Il silicio è il settimo elemento più abbondante nell’universo e il secondo elemento più abbondante sul pianeta, dopo l’ossigeno, secondo la Royal Society of Chemistry. Circa il 25% della crosta terrestre è costituito da silicio. Oltre ai chip per computer, il silicio ha molti usi; i punti più strani in cui questo elemento appare includono tazze mestruali, protesi mammarie e guanti da forno – sotto forma di silicone.

Cosa rende il silicio così speciale da avere un’intera valle in California che porta il suo nome? Continua a leggere.

Solo i fatti

• Numero atomico (numero di protoni nel nucleo): 14
• Simbolo atomico (sulla tavola periodica degli elementi): Si
• Peso atomico (massa media dell’atomo): 28,09
• Densità: 2,3296 grammi per centimetro cubo
• Fase a temperatura ambiente: Solido
• Punto di fusione: 2.577 gradi Fahrenheit (1.414 gradi Celsius)
• Punto di ebollizione: 5.909 gradi F (3.265 gradi C)
• Numero di isotopi (atomi dello stesso elemento con un diverso numero di neutroni): 24
• Isotopo più comune: Si-28 (92% abbondanza naturale)

Silicio il semiconduttore

In natura, il silicio non è da meno. Di solito si trova legato a una coppia di molecole di ossigeno come biossido di silicio, altrimenti noto come silice. Il quarzo, un ingrediente abbondante nella sabbia, è composto da silice non cristallizzata.

Il silicio non è né un metallo né un non-metallo; è un metalloide, un elemento che cade da qualche parte tra i due. La categoria dei metalloidi è una specie di zona grigia, senza una definizione precisa di ciò che si adatta al conto, ma i metalloidi generalmente hanno proprietà sia dei metalli che dei non-metalli. Sembrano metallici, ma conducono bene l’elettricità solo in modo intermedio. Il silicio è un semiconduttore, il che significa che conduce l’elettricità. A differenza di un tipico metallo, tuttavia, il silicio diventa migliore nel condurre l’elettricità all’aumentare della temperatura (i metalli peggiorano la conducibilità a temperature più alte).

Il silicio fu isolato per la prima volta nel 1824 dal chimico svedese Jöns Jacob Berzelius, che scoprì anche cerio, selenio e torio, secondo la Chemical Heritage Foundation. Berzelius riscaldò la silice con il potassio per purificare il silicio, secondo il Thomas Jefferson National Accelerator Facility, ma oggi il processo di raffinazione riscalda il carbonio con la silice sotto forma di sabbia per isolare l’elemento.

Il silicio è un ingrediente principale in creazioni molto low-tech, tra cui mattoni e ceramica. Ma la roba high-tech è dove l’elemento lascia davvero il segno. Come semiconduttore, il silicio è usato per fare transistor, che amplificano o commutano correnti elettriche e sono la spina dorsale dell’elettronica, dalle radio agli iPhone.

Il silicio è usato in vari modi nelle celle solari e nei chip dei computer, con un esempio che è un transistor a effetto di campo a semiconduttore metallo-ossido, o MOSFET, l’interruttore di base in molti dispositivi elettronici. Per trasformare il silicio in un transistor, la forma cristallina dell’elemento viene adulterata con tracce di altri elementi, come boro o fosforo, secondo il Lawrence Livermore National Laboratory. Gli oligoelementi si legano con gli atomi di silicio, liberando gli elettroni per muoversi in tutto il materiale, secondo l’Università della Virginia.

Creando spazi di silicio non adulterato, gli ingegneri possono creare un vuoto dove questi elettroni non possono fluire – come un interruttore in posizione “off”.

Per accendere l’interruttore, una piastra metallica, collegata ad una fonte di energia, è posta vicino al cristallo. Quando l’elettricità scorre, la piastra si carica positivamente. Gli elettroni, che sono caricati negativamente, sono attirati dalla carica positiva, permettendo loro di fare il salto attraverso il segmento di puro silicio. (Anche altri semiconduttori oltre al silicio possono essere usati nei transistor.)

Chi lo sapeva?

• Quando gli astronauti dell’Apollo 11 atterrarono sulla luna nel 1969, lasciarono un sacchetto bianco contenente un disco di silicio poco più grande di un dollaro d’argento. Iscritti in caratteri microscopici sul disco ci sono 73 messaggi, ognuno da un paese diverso, che esprimono auguri di buona volontà e di pace.
• Il silicone non è la stessa cosa del silicone, quel famoso polimero che si trova nelle protesi mammarie, nelle coppe mestruali e in altre tecnologie mediche. Il silicone è fatto di silicio insieme a ossigeno, carbonio e idrogeno. Poiché resiste così bene al calore, il silicone è stato sempre più utilizzato per fare utensili da cucina, come guanti da forno e teglie da forno.
• Il silicone può essere pericoloso. Se inalato per lunghi periodi di tempo, può causare una malattia polmonare nota come silicosi.
• Amore l’iridescenza di un opale? Ringrazia il silicio. La pietra preziosa è una forma di silice legata a molecole d’acqua.
• Il carburo di silicio (SiC) è duro quasi quanto un diamante, secondo l’Istituto dei materiali, minerali e miniere. Si classifica 9-9,5 sulla scala di durezza Mohs, leggermente meno del diamante, che ha una durezza di 10.
• Le piante usano il silicio per rafforzare le loro pareti cellulari. L’elemento sembra essere un importante nutriente che aiuta a conferire resistenza alle malattie, secondo un articolo del 1994 nella rivista Proceedings of the National Academy of Sciences.
• Silicon Valley prende il nome dal silicio usato nei chip dei computer. Il soprannome è apparso per la prima volta nel 1971 nel giornale “Electronic News”.
• La vita basata sul silicio, come la Horta di “Star Trek”, potrebbe non essere del tutto fantascientifica, secondo i ricercatori del Caltech. Le prime ricerche hanno dimostrato che il silicio può essere incorporato in molecole a base di carbonio come le proteine.

Ricerca attuale

La ricerca odierna sul silicio sembra poco più che fantascientifica: nel 2006, i ricercatori hanno annunciato di aver creato un chip per computer che fondeva componenti di silicio con cellule cerebrali. I segnali elettrici dalle cellule cerebrali potrebbero essere trasmessi ai componenti elettronici di silicio del chip, e viceversa. La speranza è quella di creare alla fine dispositivi elettronici per trattare i disturbi neurologici.

Uno studio del 2018 apparso su Nature testa un nuovo tipo di dispositivo quantico fatto di silicio. I computer quantistici potrebbero un giorno diventare la norma, superando l’attuale tecnologia informatica con la capacità di eseguire calcoli in parallelo. Creare questi dispositivi usando le stesse tecniche per costruire chip di silicio tradizionali potrebbe accelerare lo sviluppo di questi dispositivi, portando potenzialmente a nuovi usi per i dispositivi quantistici.

Il silicio ha anche una promessa nella creazione di laser incredibilmente minuscoli chiamati nanoneedles, che possono essere utilizzati per trasmettere dati più velocemente e in modo più efficiente dei tradizionali cavi ottici. I laser a superconduttore disperdono il calore molto più facilmente dei laser a vetro, ha detto John Badding, un chimico dei materiali alla Penn State University. Questo significa che possono vantare più potenza dei laser tradizionali.

Badding e il suo team stanno anche lavorando per creare fibre ottiche di nuova generazione che integrano superconduttori invece di semplice vetro, ha detto a Live Science.

“I semiconduttori hanno tutta una serie di proprietà che non si possono ottenere con i vetri”, ha detto Badding. Avere materiali semiconduttori incorporati nelle fibre ottiche permetterebbe di includere mini-elettronica in questi cavi, che sono cruciali per inviare informazioni su lunghe distanze. I cavi a semiconduttore permetterebbero anche la manipolazione della luce nella fibra, ha aggiunto Badding.

I chip di silicio tradizionali sono fatti depositando strati dell’elemento su una superficie piatta, di solito iniziando con un gas precursore come il silano (SiH4) e permettendo al gas di solidificare, ha detto Badding. I cavi, d’altra parte, sono disegnati. Per fare un cavo in fibra ottica di vetro, si inizia con una bacchetta di vetro, la si riscalda e poi la si tira fuori come un taffy, allungandola in un filo lungo e sottile.

Badding e i suoi colleghi hanno trovato un modo per far entrare i semiconduttori in questa forma a spaghetti. Usano fibre di vetro trafilate con piccoli fori e poi comprimono gas come il silano sotto alta pressione per forzarli in quegli spazi.

“Sarebbe come riempire di silicio un tubo da giardino che va da Penn State a New York completamente solido”, ha detto Badding. “Si potrebbe pensare che le cose si blocchino e si incasinino, ma non è così.”

I fili di semiconduttori risultanti sono da tre a quattro volte più sottili di un capello umano. Badding e il suo team stanno anche sperimentando con altri semiconduttori, come il seleniuro di zinco (zinco e selenio) per creare fibre con capacità mai viste prima.

Altro sul silicio:

• Per uno sguardo divertente e interessante alla storia della Silicon Valley, comprese le informazioni sulle menti e i prodotti coinvolti nella creazione delle startup high-tech, controlla la linea temporale interattiva della Silicon Valley di NPR.
• Potrebbero essere vicini sulla tavola periodica degli elementi, ma il silicio e il carbonio sono bestie chimiche diverse. Ecco uno sguardo di Dow Corning sulle loro differenze, che si riducono al fatto che uno è organico e l’altro inorganico.
• HowStuffWorks ha un’ottima analisi di come funzionano i semiconduttori e di come il silicio sia uno dei protagonisti.
• Vuoi scoprire come sono fatti i famosi chip Intel, fatti ovviamente di silicio? L’azienda tecnologica descrive la storia dei suoi chip, come sono cambiati nel tempo, come sono fatti e come funzionano.

Integrazione di Rachel Ross, collaboratrice di Live Science.