Krzem jest pierwiastkiem, któremu należy zawdzięczać komputer, z którego korzystasz, czytając te słowa. Ten niezwykle powszechny pierwiastek, kluczowy składnik mikroelektroniki i chipów komputerowych, jest również odpowiedzialny za ciepłe, białe plaże – krzemionka, tlenek krzemu, jest najczęstszym składnikiem piasku.
Krzem jest siódmym najobficiej występującym pierwiastkiem we wszechświecie i drugim najobficiej występującym pierwiastkiem na naszej planecie, po tlenie, według Królewskiego Towarzystwa Chemicznego. Około 25 procent skorupy ziemskiej to krzem. Oprócz chipów komputerowych, krzem ma wiele zastosowań; dziwniejsze miejsca, w których pojawia się ten pierwiastek, to kubeczki menstruacyjne, implanty piersi i rękawice kuchenne – w postaci silikonu.
Co sprawia, że krzem jest tak wyjątkowy, że ma całą dolinę w Kalifornii nazwaną jego imieniem? Czytaj dalej.
Po prostu fakty
- Liczba atomowa (liczba protonów w jądrze): 14
- Symbol atomowy (w układzie okresowym pierwiastków): Si
- Masa atomowa (średnia masa atomu): 28,09
- Gęstość: 2,3296 grama na centymetr sześcienny
- Faza w temperaturze pokojowej: Ciało stałe
- Temperatura topnienia: 2,577 stopni Fahrenheita (1,414 stopni Celsjusza)
- Temperatura wrzenia: 5,909 stopni F (3,265 stopni C)
- Liczba izotopów (atomy tego samego pierwiastka o różnej liczbie neutronów): 24
- Najczęściej występujący izotop: Si-28 (92 procent naturalnej obfitości)
Krzem – półprzewodnik
W naturze krzem nie jest samotnikiem. Zwykle można go znaleźć połączonego z parą cząsteczek tlenu jako dwutlenek krzemu, inaczej znany jako krzemionka. Kwarc, obfity składnik piasku, składa się z nieskrystalizowanej krzemionki.
Krzem nie jest ani metalem, ani niemetalem; jest metaloidem, pierwiastkiem, który mieści się gdzieś pomiędzy tymi dwoma. Kategoria metaloidu jest czymś w rodzaju szarej strefy, bez zdecydowanej definicji tego, co pasuje do rachunku, ale metaloidy ogólnie mają właściwości zarówno metali, jak i niemetali. Wyglądają na metaliczne, ale przewodzą prąd tylko pośrednio. Krzem jest półprzewodnikiem, co oznacza, że przewodzi prąd elektryczny. Jednak w przeciwieństwie do typowego metalu, krzem lepiej przewodzi prąd elektryczny w miarę wzrostu temperatury (metale gorzej przewodzą prąd w wyższych temperaturach).
Krzem został po raz pierwszy wyizolowany w 1824 roku przez szwedzkiego chemika Jönsa Jacoba Berzeliusa, który odkrył również cer, selen i tor, zgodnie z Chemical Heritage Foundation. Berzelius ogrzewał krzemionkę potasem, aby oczyścić krzem, zgodnie z Thomas Jefferson National Accelerator Facility, ale dziś proces rafinacji ogrzewa węgiel z krzemionką w postaci piasku, aby wyizolować element.
Krzem jest głównym składnikiem bardzo low-tech kreacji, w tym cegieł i ceramiki. Ale to, co zaawansowane technologicznie, jest miejscem, gdzie ten pierwiastek naprawdę odciska swoje piętno. Jako półprzewodnik, krzem jest używany do produkcji tranzystorów, które wzmacniają lub przełączają prądy elektryczne i są podstawą elektroniki od radioodbiorników po iPhone’y.
Krzem jest używany na różne sposoby w ogniwach słonecznych i układach komputerowych, a jednym z przykładów jest tranzystor MOSFET (ang. Metal-oxide-Semiconductor Field Effect Transistor), podstawowy przełącznik w wielu urządzeniach elektronicznych. Aby zrobić z krzemu tranzystor, krystaliczna forma pierwiastka jest fałszowana śladowymi ilościami innych pierwiastków, takich jak bor lub fosfor, według Lawrence Livermore National Laboratory. Pierwiastki śladowe wiążą się z atomami krzemu, uwalniając elektrony, które mogą poruszać się po całym materiale, według University of Virginia.
Tworząc przestrzenie z niezafałszowanego krzemu, inżynierowie mogą stworzyć lukę, w której te elektrony nie mogą przepływać – jak przełącznik w pozycji „off”.
Aby włączyć przełącznik, metalowa płytka, podłączona do źródła zasilania, jest umieszczana w pobliżu kryształu. Kiedy płynie prąd, płytka staje się dodatnio naładowana. Elektrony, które są naładowane ujemnie, są przyciągane do ładunku dodatniego, co pozwala im na wykonanie skoku przez segment czystego krzemu. (Inne półprzewodniki oprócz krzemu również mogą być używane w tranzystorach.)
Kto wiedział?
- Kiedy astronauci Apollo 11 wylądowali na Księżycu w 1969 roku, zostawili za sobą biały woreczek zawierający krzemowy krążek nieco większy od srebrnego dolara. Wypisane mikroskopijną czcionką na dysku są 73 wiadomości, każda z innego kraju, wyrażające życzenia dobrej woli i pokoju.
- Silikon to nie to samo co silikon, ten słynny polimer znaleziony w implantach piersi, kubeczkach menstruacyjnych i innych technologiach medycznych. Silikon jest zrobiony z krzemu wraz z tlenem, węglem i wodorem. Ponieważ jest tak odporny na ciepło, silikon jest coraz częściej używany do produkcji narzędzi kuchennych, takich jak rękawice do piekarnika i blachy do pieczenia.
- Silikon może być niebezpieczny. Wdychany przez długi czas może powodować chorobę płuc zwaną krzemicą.
- Kochasz opalizujący opal? Podziękuj krzemowi. Kamień szlachetny jest formą krzemionki związanej z cząsteczkami wody.
- Węglik krzemu (SiC) jest prawie tak twardy jak diament, zgodnie z Instytutem Materiałów, Minerałów i Górnictwa. Zajmuje on miejsce 9-9,5 w skali twardości Mohsa, nieco mniej niż diament, który ma twardość 10.
- Rośliny wykorzystują krzem do wzmocnienia swoich ścian komórkowych. Element ten wydaje się być ważnym składnikiem odżywczym, który pomaga nadać odporność na choroby, zgodnie z 1994 roku w czasopiśmie Proceedings of the National Academy of Sciences.
- Dolina Krzemowa otrzymuje swoją nazwę od krzemu używanego w chipach komputerowych. Pseudonim ten pojawił się po raz pierwszy w 1971 roku w gazecie „Electronic News.”
- Życie oparte na krzemie, jak Horta ze „Star Treka”, może nie być całkowicie science fiction, według naukowców z Caltech. Wczesne badania wykazały, że krzem może być włączony do cząsteczek opartych na węglu, takich jak białka.
Bieżące badania
Dzisiejsze badania nad krzemem brzmią tuż obok science-fiction: W 2006 roku naukowcy ogłosili, że stworzyli chip komputerowy, który połączył elementy krzemowe z komórkami mózgowymi. Sygnały elektryczne z komórek mózgowych mogą być przekazywane do elektronicznych elementów krzemowych chipu i vice versa. Nadzieją jest, aby ostatecznie stworzyć urządzenia elektroniczne do leczenia zaburzeń neurologicznych.
Badania z 2018 roku pojawiające się w Nature testują nowy typ urządzenia kwantowego wykonanego z krzemu. Komputery kwantowe mogą pewnego dnia stać się normą, przewyższając obecną technologię komputerową dzięki zdolności do równoległego wykonywania obliczeń. Stworzenie tych urządzeń przy użyciu tych samych technik do budowy tradycyjnych chipów krzemowych mogłoby przyspieszyć rozwój tych urządzeń, potencjalnie prowadząc do nowych zastosowań urządzeń kwantowych.
Krzem ma również obietnicę w tworzeniu niewiarygodnie maleńkich laserów zwanych nanoneedrami, które mogą być wykorzystywane do przesyłania danych szybciej i wydajniej niż tradycyjne kable optyczne. Lasery nadprzewodnikowe zrzucają ciepło znacznie łatwiej niż lasery szklane, powiedział John Badding, chemik materiałów na Penn State University. Oznacza to, że mogą się one pochwalić większą mocą niż lasery tradycyjne.
Badding i jego zespół pracują również nad stworzeniem włókien optycznych następnej generacji, które integrują nadprzewodniki zamiast zwykłego szkła, powiedział Live Science.
„Półprzewodniki mają całą gamę właściwości, których nie można uzyskać za pomocą szkła”, powiedział Badding. Posiadanie materiałów półprzewodnikowych osadzonych w światłowodach pozwoliłoby na mini-elektronikę zawartą w tych kablach, które są kluczowe dla przesyłania informacji na duże odległości. Kable półprzewodnikowe pozwoliłyby również na manipulowanie światłem w światłowodzie, dodał Badding.
Tradycyjne chipy krzemowe są wykonane przez osadzanie warstw elementu na płaskiej powierzchni, zwykle zaczynając od gazu prekursora, takiego jak silan (SiH4) i pozwalając gazowi zestalić się, powiedział Badding. Kable, z drugiej strony, są ciągnione. Aby zrobić szklany kabel światłowodowy, należy zacząć od szklanego pręta, podgrzać go, a następnie wyciągnąć go jak taffi, wydłużając go do długiej, chudej nici.
Badding i jego koledzy wymyślili sposób, aby uzyskać półprzewodniki w tym kształcie przypominającym spaghetti. Używają ciągnionych włókien szklanych z maleńkimi otworami, a następnie ściskają gazy takie jak silan pod wysokim ciśnieniem, aby zmusić je do tych przestrzeni.
„To byłoby jak napełnianie węża ogrodowego, który idzie od Penn State do Nowego Jorku całkowicie stałe z silikonu,” Badding powiedział. „Można by pomyśleć, że wszystko się zatka i pomiesza, ale tak się nie dzieje.”
Wynikowe pasma półprzewodników są trzy do czterech razy cieńsze niż ludzki włos. Badding i jego zespół eksperymentują również z innymi półprzewodnikami, takimi jak selenek cynku (cynk i selen), aby stworzyć włókna o niespotykanych dotąd możliwościach.
Więcej o krzemie:
- Dla zabawy i ciekawego spojrzenia na historię Doliny Krzemowej, w tym informacje o umysłach i produktach zaangażowanych w tworzenie startupów high-tech, sprawdź interaktywną oś czasu Doliny Krzemowej NPR.
- Mogą być blisko na tablicy okresowej pierwiastków, ale krzem i węgiel to różne chemiczne bestie. Oto spojrzenie Dow Corning na ich różnice, które sprowadzają się do tego, że jeden jest organiczny, a drugi nieorganiczny.
- HowStuffWorks ma świetne zestawienie tego, jak działają półprzewodniki i jak krzem jest głównym graczem.
- Chcesz się dowiedzieć, jak powstają słynne chipy Intela, oczywiście wykonane z krzemu? Firma technologiczna opisuje historię swoich chipów, jak zmieniały się w czasie, jak są produkowane i jak działają.
Dodatkowe raporty autorstwa Rachel Ross, Live Science contributor.
Ostatnie wiadomości
.