Free Press

A szilíciumnak köszönhetjük a számítógépet, amellyel ezeket a szavakat olvasod. A mikroelektronika és a számítógépes chipek alapvető alkotóeleme, ez a rendkívül gyakori elem felelős a meleg, fehér strandokért is – a szilícium-dioxid, a szilícium oxidja a homok leggyakoribb összetevője.

A Royal Society of Chemistry szerint a szilícium a hetedik leggyakoribb elem az univerzumban, és az oxigén után a második leggyakoribb elem a bolygón. A földkéreg mintegy 25 százaléka szilícium. A számítógépes chipek mellett a szilíciumnak számos felhasználási területe van; a furcsább helyek, ahol ez az elem megjelenik, közé tartoznak a menstruációs poharak, a mellimplantátumok és a sütőkesztyűk – szilikon formájában.

Mi teszi a szilíciumot olyan különlegessé, hogy Kaliforniában egy egész völgyet neveztek el róla? Olvasson tovább.

Csak a tények

• Atommagszám (protonok száma az atommagban): 14
• Atommagjel (az elemek periódusos rendszerében): Si
• Atomsúly (az atom átlagos tömege): 28,09
• Sűrűség: 2,3296 gramm köbcentiméterenként
• Fázis szobahőmérsékleten:
• olvadáspont: 2,577 Fahrenheit fok (1,414 Celsius fok)
• forraláspont: 5,909 F (3,265 C fok)
• izotópok száma (ugyanazon elem atomjai különböző számú neutronokkal): 24
• Leggyakoribb izotóp:

Szilícium a félvezető

A természetben a szilícium nem magányos. Általában egy oxigénmolekulapárral összekapcsolódva szilícium-dioxid, más néven szilícium-dioxid formájában található meg. A homokban bőségesen előforduló kvarc nem kristályosodott szilícium-dioxidból áll.

A szilícium sem nem fém, sem nem fém; ez egy metalloid, egy olyan elem, amely valahol a kettő között helyezkedik el. A metalloid kategóriája egyfajta szürke terület, nincs határozott definíció arra vonatkozóan, hogy mi illik bele, de a metalloidok általában rendelkeznek mind a fémek, mind a nem fémek tulajdonságaival. Fémesnek tűnnek, de az elektromosságot csak közepesen jól vezetik. A szilícium félvezető, ami azt jelenti, hogy vezeti az elektromosságot. Egy tipikus fémtől eltérően azonban a szilícium a hőmérséklet emelkedésével egyre jobban vezeti az elektromosságot (a fémek vezetőképessége magasabb hőmérsékleten romlik).

A szilíciumot először 1824-ben izolálta Jöns Jacob Berzelius svéd kémikus, aki a Chemical Heritage Foundation szerint a cériumot, a szelént és a tóriumot is felfedezte. Berzelius a Thomas Jefferson National Accelerator Facility szerint a szilícium tisztításához káliummal melegítette a szilícium-dioxidot, de ma a finomítási folyamat során szenet melegítenek a homok formájában lévő szilícium-dioxiddal, hogy izolálják az elemet.

A szilícium az egyik fő alkotóeleme a nagyon alacsony technológiájú alkotásoknak, beleértve a téglákat és a kerámiákat. De a high-tech cuccok az, ahol az elem igazán érvényesül. Félvezetőként a szilíciumot tranzisztorok készítésére használják, amelyek erősítik vagy kapcsolják az elektromos áramot, és a rádióktól az iPhone-ig az elektronika gerincét alkotják.

A szilíciumot különböző módon használják a napelemekben és a számítógépes chipekben, az egyik példa erre a fém-oxid-félvezető térhatású tranzisztor (MOSFET), amely számos elektronikai eszköz alapvető kapcsolója. A Lawrence Livermore Nemzeti Laboratórium szerint ahhoz, hogy a szilíciumból tranzisztort készítsenek, az elem kristályos formáját más elemek, például bór vagy foszfor nyomnyi mennyiségével hamisítják meg. A nyomelemek a Virginia Egyetem szerint a szilícium atomjaihoz kapcsolódva elektronokat szabadítanak fel az anyagban való mozgásra.

A hamisítatlan szilíciumból kialakított terek létrehozásával a mérnökök olyan rést tudnak létrehozni, ahol ezek az elektronok nem tudnak áramolni – mint egy “ki” állású kapcsoló.

A kapcsoló “be” állásba kapcsolásához egy áramforráshoz csatlakoztatott fémlemezt helyeznek a kristály közelébe. Amikor áram folyik az áram, a lemez pozitívan feltöltődik. A negatív töltésű elektronok a pozitív töltéshez vonzódnak, és lehetővé teszik számukra, hogy átugorják a tiszta szilícium szegmenst. (A szilíciumon kívül más félvezetők is használhatók tranzisztorokban.)

Ki gondolta volna?

• Amikor az Apollo-11 űrhajósai 1969-ben leszálltak a Holdra, egy fehér tasakot hagytak hátra, amelyben egy ezüstdollárnál alig nagyobb szilíciumkorong volt. A korongra mikroszkopikus betűkkel 73 üzenetet írtak, mindegyiket más-más országból, jóakaratot és békét kívánva.
• A szilikon nem ugyanaz, mint a szilikon, az a híres polimer, amely a mellimplantátumokban, menstruációs csészékben és más orvosi technológiákban megtalálható. A szilikon oxigénnel, szénnel és hidrogénnel együtt szilíciumból áll. Mivel olyan jól ellenáll a hőnek, a szilikont egyre gyakrabban használják konyhai eszközök, például sütőkesztyűk és sütőlapok készítéséhez.
• A szilikon veszélyes lehet. Hosszú időn keresztül belélegezve szilikózis néven ismert tüdőbetegséget okozhat.
• Szereti az opál irizáló fényét? Köszönjük a szilíciumnak. A drágakő a szilícium-dioxid egy vízmolekulákkal kötött formája.
• A szilíciumkarbid (SiC) majdnem olyan kemény, mint a gyémánt, az Institute of Materials, Minerals, and Mining szerint. A Mohs-féle keménységi skálán a 9-9,5. helyet foglalja el, valamivel kevesebbet, mint a gyémánt, amelynek keménysége 10.
• A növények a szilíciumot sejtfalaik megerősítésére használják. A Proceedings of the National Academy of Sciences című folyóiratban 1994-ben megjelent tanulmány szerint az elem fontos tápanyag, amely segít a betegségekkel szembeni ellenálló képesség kialakításában.
• A Szilícium-völgy a nevét a számítógépes chipekben használt szilíciumról kapta. A becenév először 1971-ben jelent meg az “Electronic News” című újságban.”
• A Caltech kutatói szerint a szilícium alapú élet, mint a “Star Trek”-ből ismert Horta, talán nem teljesen sci-fi. Korai kutatások kimutatták, hogy a szilícium beépíthető olyan szénalapú molekulákba, mint például a fehérjék.

Jelenlegi kutatások

A mai szilíciumkutatások már-már sci-finek hangzanak: 2006-ban a kutatók bejelentették, hogy létrehoztak egy olyan számítógépes chipet, amely szilíciumkomponenseket és agysejteket egyesített. Az agysejtek elektromos jeleit a chip elektronikus szilíciumkomponenseire lehetett továbbítani, és fordítva. A remény az, hogy végül olyan elektronikus eszközöket hozhatnak létre, amelyekkel neurológiai rendellenességeket lehet kezelni.

A Nature című folyóiratban 2018-ban megjelent tanulmány egy új típusú, szilíciumból készült kvantumos eszközt tesztel. A kvantumszámítógépek egy napon normává válhatnak, felülmúlva a jelenlegi számítógépes technológiát a párhuzamos számítások elvégzésének képességével. Ezeknek az eszközöknek a hagyományos szilíciumchipek építéséhez használt azonos technikákkal történő létrehozása felgyorsíthatja ezen eszközök fejlesztését, ami a kvantumeszközök új felhasználási lehetőségeihez vezethet.

A szilícium ígéretes a hihetetlenül apró lézerek, az úgynevezett nanonádak létrehozásában is, amelyekkel a hagyományos optikai kábeleknél gyorsabban és hatékonyabban lehet adatokat továbbítani. A szupravezető lézerek sokkal könnyebben ontják a hőt, mint az üveglézerek, mondta John Badding, a Penn State University anyagkémikusa. Ez azt jelenti, hogy nagyobb teljesítményt tudnak felmutatni, mint a hagyományos lézerek.”

Badding és csapata olyan következő generációs optikai szálak létrehozásán is dolgozik, amelyek szupravezetőket integrálnak az egyszerű üveg helyett, mondta a Live Science-nek.”

“A félvezetőknek számos olyan tulajdonságuk van, amit az üvegekkel nem lehet elérni” – mondta Badding. Az optikai szálakba ágyazott félvezető anyagok lehetővé tennék, hogy mini-elektronikát építsenek be ezekbe a kábelekbe, amelyek létfontosságúak a nagy távolságokon történő információküldéshez. A félvezető kábelek lehetővé tennék a fény manipulálását is a szálban, tette hozzá Badding.

A hagyományos szilícium chipek úgy készülnek, hogy az elem rétegeit egy sima felületre helyezik, általában egy prekurzor gázzal, például szilánnal (SiH4) kezdik, és hagyják, hogy a gáz megszilárduljon, mondta Badding. A kábeleket viszont húzzák. Egy üvegszálas optikai kábel készítéséhez egy üvegrúddal kezdenénk, felmelegítenénk, majd kihúznánk, mint a taccsot, és hosszú, vékony fonallá hosszabbítanánk.

Badding és kollégái kitalálták, hogyan lehet a félvezetőket ilyen spagettiszerű formába hozni. Húzott üvegszálakat használnak, amelyeken apró lyukak vannak, majd nagy nyomás alatt összenyomnak gázokat, például szilánt, hogy ezekbe a terekbe kényszerítsék őket.

“Olyan lenne, mintha egy kerti tömlőt, amely Penn State-től New Yorkig tart, teljesen tömör szilíciummal töltenénk meg” – mondta Badding. “Azt gondolnánk, hogy a dolgok eldugulnak és összekuszálódnak, de nem így van.”

A kapott félvezető szálak háromszor-négyszer vékonyabbak, mint egy emberi hajszál. Badding és csapata más félvezetőkkel, például cink-szeleniddel (cink és szelén) is kísérletezik, hogy soha nem látott kapacitású szálakat hozzanak létre.

Még több a szilíciumról:

• A Szilícium-völgy történetének szórakoztató és érdekes áttekintéséhez, beleértve a high-tech startupok létrehozásában részt vevő elmékről és termékekről szóló információkat, nézze meg az NPR interaktív Szilícium-völgy idővonalát.
• Az elemek periódusos rendszerében ugyan közel állnak egymáshoz, de a szilícium és a szén különböző kémiai állatok. Itt a Dow Corning bemutatja a különbségeket, amelyek abban merülnek ki, hogy az egyik szerves, a másik pedig szervetlen.
• A HowStuffWorks remekül összefoglalja a félvezetők működését és a szilícium fontos szerepét.
• Kíváncsi, hogyan készülnek a híres Intel chipek, amelyek természetesen szilíciumból készülnek? A technológiai vállalat leírja a chipjeik történetét, hogyan változtak az idők során, hogyan készülnek és hogyan működnek.

Kiegészítő tudósítás Rachel Ross, a Live Science munkatársától.