Free Press

Piitä on kiittäminen siitä, että tietokone, jolla luet näitä sanoja, on syntynyt. Tämä erittäin yleinen alkuaine on tärkeä osa mikroelektroniikkaa ja tietokonesiruja, ja se on myös vastuussa lämpimistä, valkoisista rannoista – piioksidi, piioksidi, on hiekan yleisin ainesosa.

Piitä on maailmankaikkeuden seitsemänneksi runsain alkuaine ja planeetan toiseksi runsain alkuaine hapen jälkeen, Royal Society of Chemistryn mukaan. Maapallon kuoresta noin 25 prosenttia on piitä. Tietokonesirujen lisäksi piillä on monia käyttötarkoituksia; oudompia paikkoja, joissa tätä alkuaine esiintyy, ovat muun muassa kuukautiskupit, rintaimplantit ja uunikintaat – silikonin muodossa.

Mikä tekee piistä niin erikoisen, että sen mukaan on nimetty kokonainen laakso Kaliforniassa? Lue lisää.

Vain faktat

• Atominumero (protonien lukumäärä ytimessä): 14
• Atomin symboli (alkuaineiden jaksollisessa järjestelmässä): Si
• Atomipaino (atomin keskimääräinen massa): 28,09
• Tiheys: 2,3296 grammaa kuutiosenttimetriä kohti
• Faasi huoneenlämmössä:
• Sulamispiste: 2,577 astetta Fahrenheitia (1,414 astetta Celsiusta)
• Kiehumispiste: 5,909 astetta F (3,265 astetta C)
• Isotooppien lukumäärä (saman alkuaineen atomeja, joilla on erilainen määrä neutroneita): 24
• Yleisin isotomi:

Pii puolijohde

Luonnossa pii ei ole yksinäinen. Sitä tavataan yleensä parin happimolekyylin kanssa yhdistettynä piidioksidina, joka tunnetaan myös nimellä piidioksidi. Kvartsi, hiekan runsas ainesosa, koostuu kiteytymättömästä piidioksidista.

Pii ei ole metalli eikä epämetalli; se on metalloidi, alkuaine, joka sijoittuu jonnekin näiden kahden välille. Metalloidin kategoria on jonkinlainen harmaa alue, eikä ole tarkkaa määritelmää siitä, mikä siihen sopii, mutta metalloideilla on yleensä sekä metallien että epämetallien ominaisuuksia. Ne näyttävät metallisilta, mutta johtavat sähköä vain keskinkertaisen hyvin. Pii on puolijohde, eli se johtaa sähköä. Toisin kuin tyypillinen metalli, pii kuitenkin johtaa sähköä paremmin lämpötilan noustessa (metallien sähkönjohtavuus heikkenee korkeammissa lämpötiloissa).

Silicon eristi ensimmäisen kerran vuonna 1824 ruotsalainen kemisti Jöns Jacob Berzelius, joka Chemical Heritage Foundationin mukaan löysi myös ceriumin, seleenin ja toriumin. Thomas Jefferson National Accelerator Facility -laitoksen mukaan Berzelius lämmitti piidioksidia kaliumin kanssa piin puhdistamiseksi, mutta nykyään jalostusprosessi lämmittää hiiltä piidioksidin kanssa hiekan muodossa alkuaineen eristämiseksi.

Piikki on tärkein ainesosa hyvin matalan teknologian luomuksissa, kuten tiilissä ja keramiikassa. Mutta huipputeknisissä tuotteissa alkuaine pääsee kunnolla oikeuksiinsa. Puolijohteena piitä käytetään transistorien valmistukseen, jotka vahvistavat tai kytkevät sähkövirtaa ja ovat elektroniikan selkäranka radioista iPhoneihin.

Piitä käytetään monin tavoin aurinkokennoissa ja tietokonesiruissa, joista yksi esimerkki on metallioksidi-puolijohde-kenttäefektitransistori eli MOSFET eli monien elektroniikkalaitteiden peruskytkin. Lawrence Livermoren kansallisen laboratorion mukaan piistä tehdään transistori, kun sen kiteiseen muotoon lisätään pieniä määriä muita alkuaineita, kuten booria tai fosforia. Virginian yliopiston mukaan hivenaineet sitoutuvat piiatomeihin ja vapauttavat elektroneja liikkumaan koko materiaalissa.

Luomalla välejä väärentämättömästä piistä insinöörit voivat luoda aukon, jossa elektronit eivät pääse liikkumaan – ikään kuin kytkimen ollessa pois päältä.

Kytkimen kytkemiseksi päälle kiteen läheisyyteen asetetaan virtalähteeseen kytketty metallilevy. Kun sähkö virtaa, levy varautuu positiivisesti. Elektronit, jotka ovat negatiivisesti varautuneita, vetäytyvät positiivisen varauksen luokse, jolloin ne voivat hypätä puhtaan piin segmentin yli. (Transistoreissa voidaan käyttää muitakin puolijohteita kuin piitä.)

Kuka olisi uskonut?

• Kun Apollo 11:n astronautit laskeutuivat Kuuhun vuonna 1969, he jättivät jälkeensä valkoisen pussin, joka sisälsi hieman hopeadollaria suuremman piikiekon. Levyyn oli kirjoitettu mikroskooppisen pienellä fontilla 73 viestiä, kukin eri maasta, joissa toivotettiin hyvää tahtoa ja rauhaa.
• Pii ei ole sama asia kuin silikoni, tuo kuuluisa polymeeri, jota löytyy rintaimplanteista, kuukautiskupeista ja muusta lääketieteellisestä tekniikasta. Silikoni koostuu piistä sekä hapesta, hiilestä ja vedystä. Koska se kestää kuumuutta niin hyvin, silikonia on käytetty yhä useammin keittiötyökalujen, kuten uunihanskojen ja leivinpeltien valmistukseen.
• Silikoni voi olla vaarallista. Pitkään hengitettynä se voi aiheuttaa keuhkosairauden, joka tunnetaan nimellä silikoosi.
• Rakkaat opaalin irisointia? Kiitä piitä. Jalokivi on vesimolekyyleihin sitoutunutta piidioksidia.
• Piikarbidi (SiC) on Institute of Materials, Minerals, and Miningin mukaan lähes yhtä kovaa kuin timantti. Se sijoittuu Mohsin kovuusasteikolla sijoille 9-9,5, eli hieman huonommin kuin timantti, jonka kovuus on 10.
• Kasvit käyttävät piitä soluseinämiensä vahvistamiseen. Alkuaine näyttää olevan tärkeä ravintoaine, joka auttaa antamaan vastustuskyvyn tauteja vastaan, todetaan Proceedings of the National Academy of Sciences -lehdessä vuonna 1994 julkaistussa artikkelissa.
• Silicon Valley on saanut nimensä tietokonesiruissa käytetystä piistä. Lempinimi esiintyi ensimmäisen kerran vuonna 1971 sanomalehdessä ”Electronic News.”
• Silicon-pohjainen elämä, kuten ”Star Trek”-elokuvan Horta, ei ehkä olekaan täysin tieteiskirjallisuutta, toteavat Caltechin tutkijat. Varhaiset tutkimukset ovat osoittaneet, että pii voidaan liittää hiilipohjaisiin molekyyleihin, kuten proteiineihin.

Nykyinen tutkimus

Tämän päivän piitutkimus kuulostaa juuri ja juuri scifiltä: Vuonna 2006 tutkijat ilmoittivat luoneensa tietokonesirun, jossa piikomponentit oli yhdistetty aivosoluihin. Aivosolujen sähköisiä signaaleja voitiin välittää sirun elektronisiin piikomponentteihin ja päinvastoin. Toiveena on lopulta luoda elektronisia laitteita neurologisten häiriöiden hoitoon.

Nature-lehdessä vuonna 2018 ilmestyneessä tutkimuksessa testataan uudenlaista piistä tehtyä kvanttilaitetta. Kvanttitietokoneista voi jonain päivänä tulla normi, joka päihittää nykyisen tietokoneteknologian kyvyllä suorittaa laskutoimituksia rinnakkain. Näiden laitteiden luominen käyttäen samoja tekniikoita, joilla rakennetaan perinteisiä piisiruja, voisi nopeuttaa näiden laitteiden kehitystä ja johtaa mahdollisesti uusiin käyttötarkoituksiin kvanttilaitteille.

Pii on lupaava myös uskomattoman pienten lasereiden, niin sanottujen nanoneulojen, luomisessa, joita voidaan käyttää tiedonsiirtoon perinteisiä optisia kaapeleita nopeammin ja tehokkaammin. Suprajohdelaserit haihduttavat lämpöä paljon helpommin kuin lasilaserit, sanoo John Badding, materiaalikemisti Penn State Universityssä. Tämä tarkoittaa, että ne voivat ylpeillä suuremmalla teholla kuin perinteiset laserit.

Badding ja hänen ryhmänsä työskentelevät myös luodakseen seuraavan sukupolven optisia kuituja, jotka integroivat suprajohteita pelkän lasin sijasta, hän kertoi Live Science -lehdelle.

”Puolijohteilla on koko joukko ominaisuuksia, joita ei voi saada lasilla”, Badding sanoi. Optisiin kuituihin upotetut puolijohdemateriaalit mahdollistaisivat minielektroniikan sisällyttämisen näihin kaapeleihin, jotka ovat ratkaisevia tiedon lähettämisessä pitkien etäisyyksien yli. Puolijohdekaapelit mahdollistaisivat myös valon manipuloinnin kuidussa, Badding lisäsi.

Traditionaaliset piisirut valmistetaan laskeuttamalla elementtikerroksia tasaiselle pinnalle, yleensä aloittaen esiasteena olevasta kaasusta, kuten silaanista (SiH4), ja antamalla kaasun jähmettyä, Badding sanoi. Kaapelit sen sijaan vedetään. Lasikuitukaapelin tekeminen aloitettaisiin lasisauvasta, sitä lämmitettäisiin ja vedettäisiin sitten kuin taffy, jolloin se pidentyisi pitkäksi, ohueksi langaksi.

Badding ja hänen kollegansa ovat keksineet keinon saada puolijohteet tähän spagetin kaltaiseen muotoon. He käyttävät vedettyjä lasikuituja, joissa on pieniä reikiä, ja sitten he puristavat kaasuja, kuten silaania, korkeassa paineessa pakottaakseen ne näihin väleihin.

”Se olisi kuin täyttäisi puutarhaletkun, joka kulkee Penn Statesta New Yorkiin, täysin umpinaista piitä”, Badding sanoo. ”Luulisi, että asiat tukkeutuisivat ja menisivät sekaisin, mutta näin ei tapahdu.”

Tuloksena syntyneet puolijohdesäikeet ovat kolme-neljä kertaa ohuempia kuin ihmisen hius. Badding ja hänen ryhmänsä kokeilevat myös muilla puolijohteilla, kuten sinkkiselenidillä (sinkki ja seleeni), luodakseen kuituja, joiden kapasiteetti on ennen näkemätön.

Lisää piistä:

• Jos haluat hauskan ja mielenkiintoisen katsauksen Piilaakson historiaan, mukaan lukien tietoa huipputekniikan startup-yritysten syntyyn osallistuneista mielistä ja tuotteista, tutustu NPR:n interaktiiviseen Piilaakson aikajanaan.
• Eläinten jaksollisessa järjestelmässä ne saattavat olla lähellä toisiaan, mutta pii ja hiili ovat kemiallisesti erilaisia petoja. Tässä on Dow Corningin katsaus niiden eroihin, jotka tiivistyvät siihen, että toinen on orgaaninen ja toinen epäorgaaninen.
• HowStuffWorksissa on hieno erittely siitä, miten puolijohteet toimivat ja miten pii on tärkeä tekijä.
• Haluatko tietää, miten kuuluisat Intelin sirut, jotka on tietenkin tehty piistä, valmistetaan? Teknologiayhtiö kuvailee sirujensa historiaa, miten ne ovat muuttuneet ajan myötä, miten niitä valmistetaan ja miten ne toimivat.

Lisätoimittaja: Rachel Ross, Live Sciencen toimittaja.