Free Press

Silicium is het element dat verantwoordelijk is voor de computer die u gebruikt om deze woorden te lezen. Het is een cruciaal bestanddeel van micro-elektronica en computerchips, maar het is ook verantwoordelijk voor warme, witte stranden – silica, een siliciumoxide, is het meest voorkomende bestanddeel van zand.

Silicon is het op zeven na meest voorkomende element in het heelal en het op een na meest voorkomende element op de planeet, na zuurstof, volgens de Royal Society of Chemistry. Ongeveer 25 procent van de aardkorst bestaat uit silicium. Naast computerchips heeft silicium vele toepassingen; vreemdere plekken waar dit element voorkomt zijn onder andere menstruatiecups, borstimplantaten en ovenwanten – in de vorm van siliconen.

Wat maakt silicium zo bijzonder dat er een hele vallei in Californië naar is vernoemd? Lees verder.

Zomaar de feiten

• Atoomnummer (aantal protonen in de kern): 14
• Atoomsymbool (op het Periodiek Systeem der Elementen): Si
• Atomair gewicht (gemiddelde massa van het atoom): 28,09
• Dichtheid: 2,3296 gram per kubieke centimeter
• Fase bij kamertemperatuur: Vast
• Smeltpunt: 2.577 graden Fahrenheit (1.414 graden Celsius)
• Kookpunt: 5.909 graden F (3.265 graden C)
• Aantal isotopen (atomen van hetzelfde element met een verschillend aantal neutronen): 24
• Meest voorkomende isotoop: Si-28 (92 procent natuurlijke abundantie)

Silicium de halfgeleider

In de natuur is silicium geen eenling. Het is meestal verbonden met een paar zuurstofmoleculen als siliciumdioxide, ook bekend als silica. Kwarts, een overvloedig bestanddeel van zand, bestaat uit niet gekristalliseerd silica.

Silicium is noch metaal, noch niet-metaal; het is een metalloïde, een element dat ergens tussen die twee in valt. De categorie van de metalloïde is een beetje een grijs gebied, met geen vaste definitie van wat past de rekening, maar metalloïden over het algemeen hebben eigenschappen van zowel metalen en niet-metalen. Zij zien er metaalachtig uit, maar geleiden elektriciteit slechts matig. Silicium is een halfgeleider, wat betekent dat het wel elektriciteit geleidt. In tegenstelling tot een typisch metaal, echter, wordt silicium beter in het geleiden van elektriciteit naarmate de temperatuur stijgt (metalen worden slechter in geleiding bij hogere temperaturen).

Silicium werd voor het eerst geïsoleerd in 1824 door de Zweedse chemicus Jöns Jacob Berzelius, die ook cerium, selenium en thorium ontdekte, volgens de Chemical Heritage Foundation. Berzelius verhitte silica met kalium om silicium te zuiveren, volgens de Thomas Jefferson National Accelerator Facility, maar tegenwoordig verhit het raffinageproces koolstof met silica in de vorm van zand om het element te isoleren.

Silicium is een belangrijk ingrediënt in zeer low-tech creaties, waaronder bakstenen en keramiek. Maar het high-tech spul is waar het element echt zijn stempel drukt. Als halfgeleider wordt silicium gebruikt om transistors te maken, die elektrische stromen versterken of schakelen en de ruggengraat vormen van elektronica, van radio’s tot iPhones.

Silicium wordt op verschillende manieren gebruikt in zonnecellen en computerchips, met als één voorbeeld een metaaloxidehalfgeleider-veldeffecttransistor, of MOSFET, de basisschakelaar in veel elektronica. Om van silicium een transistor te maken, wordt de kristallijne vorm van het element vermengd met sporen van andere elementen, zoals boor of fosfor, volgens het Lawrence Livermore National Laboratory. De sporenelementen binden zich met de siliciumatomen, waardoor elektronen vrijkomen om door het materiaal te bewegen, aldus de Universiteit van Virginia.

Door ruimten van onvervalst silicium te creëren, kunnen ingenieurs een gat creëren waar deze elektronen niet kunnen stromen – als een schakelaar in de “uit”-stand.

Om de schakelaar op “aan” te zetten, wordt een metalen plaat, verbonden met een stroombron, in de buurt van het kristal geplaatst. Wanneer de elektriciteit stroomt, wordt de plaat positief geladen. Elektronen, die negatief geladen zijn, worden naar de positieve lading getrokken, waardoor zij de sprong over het zuiver-silicium segment kunnen maken. (Andere halfgeleiders dan silicium kunnen ook in transistors worden gebruikt.)

Wie had dat gedacht?

• Toen de Apollo 11 astronauten in 1969 op de maan landden, lieten zij een wit zakje achter met daarin een silicium schijfje dat iets groter was dan een zilveren dollar. In een microscopisch lettertype zijn 73 boodschappen op de schijf gegraveerd, elk van een ander land, met wensen van goede wil en vrede.
• Silicium is niet hetzelfde als siliconen, dat beroemde polymeer dat wordt gevonden in borstimplantaten, menstruatiecups en andere medische technologie. Silicium is gemaakt van silicium samen met zuurstof, koolstof en waterstof. Omdat het zo goed bestand is tegen hitte, wordt siliconen steeds vaker gebruikt om keukengereedschap te maken, zoals ovenwanten en bakplaten.
• Siliconen kunnen gevaarlijk zijn. Bij langdurige inademing kan het een longziekte veroorzaken die bekend staat als silicose.
• Liefhebber van de iriserende schittering van een opaal? Dank silicium. De edelsteen is een vorm van silica gebonden met watermoleculen.
• Siliciumcarbide (SiC) is bijna net zo hard als een diamant, volgens het Institute of Materials, Minerals, and Mining. Het scoort 9-9,5 op de hardheidsschaal van Mohs, iets minder dan diamant, dat een hardheid van 10 heeft.
• Planten gebruiken silicium om hun celwanden te versterken. Het element blijkt een belangrijke voedingsstof te zijn die helpt weerstand te bieden tegen ziekten, volgens een artikel uit 1994 in het tijdschrift Proceedings of the National Academy of Sciences.
• Silicon Valley dankt zijn naam aan het silicium dat in computerchips wordt gebruikt. De bijnaam verscheen voor het eerst in 1971 in de krant “Electronic News.”
• Silicium-gebaseerd leven, zoals de Horta uit “Star Trek,” is misschien niet helemaal science fiction, volgens onderzoekers van Caltech. Vroeg onderzoek heeft aangetoond dat silicium kan worden opgenomen in op koolstof gebaseerde moleculen, zoals eiwitten.

Huidig onderzoek

Het siliciumonderzoek van vandaag klinkt net niet sciencefiction: in 2006 kondigden onderzoekers aan dat ze een computerchip hadden gemaakt die siliciumcomponenten samensmolt met hersencellen. Elektrische signalen van de hersencellen konden worden doorgegeven aan de elektronische siliciumcomponenten van de chip, en vice versa. De hoop is om uiteindelijk elektronische apparaten te maken om neurologische aandoeningen te behandelen.

Een studie uit 2018 die in Nature verschijnt, test een nieuw type kwantumapparaat gemaakt van silicium. Kwantumcomputers kunnen op een dag de norm worden en de huidige computertechnologie overtreffen met het vermogen om berekeningen parallel uit te voeren. Het maken van deze apparaten met behulp van dezelfde technieken om traditionele siliciumchips te bouwen, zou de ontwikkeling van deze apparaten kunnen versnellen, wat mogelijk leidt tot nieuwe toepassingen voor kwantumapparaten.

Silicium heeft ook belofte in de creatie van ongelooflijk kleine lasers genaamd nanoneedles, die kunnen worden gebruikt om gegevens sneller en efficiënter over te brengen dan traditionele optische kabels. Supergeleiderlasers geven warmte veel gemakkelijker af dan glaslasers, zei John Badding, een materiaalchemicus aan de Penn State University. Dat betekent dat ze kunnen bogen op meer vermogen dan traditionele lasers.

Badding en zijn team werken ook aan de volgende generatie optische vezels die supergeleiders integreren in plaats van gewoon glas, vertelde hij Live Science.

“Halfgeleiders hebben een hele verscheidenheid van eigenschappen die je gewoon niet kunt krijgen met glas,” zei Badding. Het hebben van halfgeleidermaterialen ingebed in optische vezels zou het mogelijk maken om mini-elektronica op te nemen in deze kabels, die cruciaal zijn voor het verzenden van informatie over lange afstanden. Halfgeleiderkabels zouden ook de manipulatie van licht in de vezel mogelijk maken, voegde Badding eraan toe.

Traditionele siliciumchips worden gemaakt door lagen van het element op een plat oppervlak af te zetten, meestal beginnend met een precursorgas zoals silaan (SiH4) en het gas te laten stollen, zei Badding. Kabels worden daarentegen getrokken. Om een glasvezelkabel te maken, begin je met een glasstaaf, verhit je die en trek je hem uit als een toffee, waarbij je hem verlengt tot een lange, dunne draad.

Badding en zijn collega’s hebben een manier gevonden om halfgeleiders in deze spaghetti-achtige vorm te krijgen. Ze gebruiken getrokken glasvezels met minuscule gaatjes en persen dan gassen zoals silaan onder hoge druk samen om ze in die ruimtes te dwingen.

“Het zou zijn alsof je een tuinslang die van Penn State naar New York gaat volledig massief vult met silicium,” zei Badding. “Je zou denken dat de dingen verstopt en in de war zouden raken, maar dat is niet zo.”

De resulterende halfgeleiderslierten zijn drie tot vier keer dunner dan een menselijke haar. Badding en zijn team experimenteren ook met andere halfgeleiders, zoals zinkselenide (zink en selenium) om vezels te maken met een nooit eerder geziene capaciteit.

Meer over silicium:

• Voor een leuke en interessante kijk op de geschiedenis van Silicon Valley, inclusief informatie over de geesten en producten die betrokken waren bij het maken van de high-tech startups, kijk op de interactieve Silicon Valley tijdlijn van NPR.
• Ze mogen dan dicht bij elkaar staan op het Periodiek Systeem der Elementen, maar silicium en koolstof zijn verschillende chemische beesten. Hier is een blik van Dow Corning op hun verschillen, die erop neerkomen dat de een organisch is en de ander anorganisch.
• HowStuffWorks heeft een geweldige uitsplitsing van hoe halfgeleiders werken en hoe silicium een belangrijke speler is.
• Wilt u weten hoe de beroemde Intel-chips, die natuurlijk van silicium zijn gemaakt, worden gemaakt? Het techbedrijf beschrijft de geschiedenis van hun chips, hoe ze in de loop der tijd zijn veranderd, hoe ze worden gemaakt en hoe ze werken.

Aanvullende verslaggeving door Rachel Ross, Live Science contributor.