Free Press

Siliciul este elementul căruia trebuie să-i mulțumim pentru computerul pe care îl folosiți pentru a citi aceste cuvinte. O componentă crucială în microelectronică și în cipurile de calculator, acest element extrem de comun este, de asemenea, responsabil pentru plajele calde și albe – siliciul, un oxid de siliciu, este cea mai comună componentă a nisipului.

Siliciul este al șaptelea cel mai abundent element din univers și al doilea cel mai abundent element de pe planetă, după oxigen, potrivit Royal Society of Chemistry. Aproximativ 25 la sută din scoarța terestră este alcătuită din siliciu. În afară de cipurile de calculator, siliciul are multe utilizări; locurile mai ciudate în care apare acest element includ cupele menstruale, implanturile mamare și mănușile de bucătărie – sub formă de silicon.

Ce face ca siliciul să fie atât de special încât are o întreagă vale în California care îi poartă numele? Citiți mai departe.

Doar câteva date

• Numărul atomic (numărul de protoni din nucleu): 14
• Simbolul atomic (în tabelul periodic al elementelor): Si

Greutate atomică (masa medie a atomului): 28,09

• Densitate: 2,3296 grame pe centimetru cub
• Fază la temperatura camerei: Solid

Punctul de topire: 2.577 grade Fahrenheit (1.414 grade Celsius)

• Punctul de fierbere: 5.909 grade F (3.265 grade C)
• Numărul de izotopi (atomi ai aceluiași element cu un număr diferit de neutroni): 24
• Cel mai comun izotop: Si-28 (92% abundență naturală)

Siliciul semiconductor

În natură, siliciul nu este singuratic. Se găsește de obicei legat de o pereche de molecule de oxigen sub formă de dioxid de siliciu, cunoscut și sub numele de silice. Cuarțul, un ingredient abundent în nisip, este alcătuit din silice necristalizată.

Siliciul nu este nici metal, nici nemetal; este un metaloid, un element care se află undeva între cele două. Categoria de metaloid este un fel de zonă gri, fără o definiție fermă a ceea ce se potrivește, dar metaloizii au, în general, proprietăți atât ale metalelor, cât și ale nemetalelor. Au un aspect metalic, dar conduc electricitatea doar intermediar. Siliciul este un semiconductor, ceea ce înseamnă că acesta conduce electricitatea. Cu toate acestea, spre deosebire de un metal tipic, siliciul devine mai bun la conducerea electricității pe măsură ce crește temperatura (metalele se înrăutățesc la conductivitate la temperaturi mai ridicate).

Siliciul a fost izolat pentru prima dată în 1824 de către chimistul suedez Jöns Jacob Berzelius, care a descoperit, de asemenea, ceriul, seleniul și toriul, potrivit Chemical Heritage Foundation. Berzelius a încălzit siliciul cu potasiu pentru a purifica siliciul, potrivit Thomas Jefferson National Accelerator Facility, dar astăzi procesul de rafinare încălzește carbonul cu siliciu sub formă de nisip pentru a izola elementul.

Siliciul este un ingredient principal în creațiile de foarte joasă tehnologie, inclusiv cărămizi și ceramică. Dar lucrurile de înaltă tehnologie sunt cele în care elementul își lasă cu adevărat amprenta. Ca semiconductor, siliciul este folosit la fabricarea tranzistoarelor, care amplifică sau comută curenții electrici și reprezintă coloana vertebrală a aparatelor electronice, de la radiouri la iPhone-uri.

Siliciul este folosit în diverse moduri în celulele solare și în cipurile de calculator, un exemplu fiind tranzistorul cu efect de câmp metal-oxid-semiconductor, sau MOSFET, comutatorul de bază în multe aparate electronice. Pentru a transforma siliciul într-un tranzistor, forma cristalină a elementului este falsificată cu urme de alte elemente, cum ar fi borul sau fosforul, potrivit Lawrence Livermore National Laboratory. Urmele de elemente se leagă de atomii de siliciu, eliberând electronii pentru a se mișca în tot materialul, potrivit Universității din Virginia.

Creând spații de siliciu nealterat, inginerii pot crea un spațiu în care acești electroni nu pot circula – ca un întrerupător în poziția „oprit”.

Pentru a activa întrerupătorul la „pornit”, o placă metalică, conectată la o sursă de energie, este plasată în apropierea cristalului. Când electricitatea curge, placa devine încărcată pozitiv. Electronii, care sunt încărcați negativ, sunt atrași de sarcina pozitivă, permițându-le să facă saltul peste segmentul de siliciu pur. (În tranzistori pot fi folosiți și alți semiconductori în afară de siliciu.)

Cine știa?

• Când astronauții de pe Apollo 11 au aterizat pe Lună în 1969, au lăsat în urmă o pungă albă care conținea un disc de siliciu puțin mai mare decât un dolar de argint. Pe disc sunt inscripționate cu caractere microscopice 73 de mesaje, fiecare dintr-o țară diferită, exprimând urări de bunăvoință și pace.
• Siliconul nu este același lucru cu siliconul, acel polimer celebru care se găsește în implanturile mamare, cupele menstruale și alte tehnologii medicale. Siliconul este alcătuit din siliciu împreună cu oxigen, carbon și hidrogen. Deoarece rezistă atât de bine la căldură, siliconul a fost folosit din ce în ce mai mult pentru a face unelte de bucătărie, cum ar fi mănuși pentru cuptor și foi de copt.
• Siliconul poate fi periculos. Atunci când este inhalat pe perioade lungi de timp, poate provoca o boală pulmonară cunoscută sub numele de silicoză.
• Dragostești irizațiile unui opal? Mulțumiți-i siliciului. Piatra prețioasă este o formă de siliciu legată cu molecule de apă.
• Carbura de siliciu (SiC) este aproape la fel de dură ca un diamant, potrivit Institutului de Materiale, Minerale și Minerale. Ea se situează la 9-9,5 pe scara de duritate Mohs, puțin mai puțin decât diamantul, care are o duritate de 10.
• Plantele folosesc siliciul pentru a-și întări pereții celulari. Elementul pare a fi un nutrient important care ajută la conferirea rezistenței la boli, potrivit unui articol din 1994 din revista Proceedings of the National Academy of Sciences.
• Silicon Valley își trage numele de la siliciul folosit în cipurile de calculator. Porecla a apărut pentru prima dată în 1971 în ziarul „Electronic News.”
• Viața pe bază de siliciu, precum Horta din „Star Trek”, ar putea să nu fie în întregime science fiction, potrivit cercetătorilor de la Caltech. Cercetările timpurii au arătat că siliciul poate fi încorporat în molecule pe bază de carbon, cum ar fi proteinele.

Cercetări actuale

Cercetarea actuală a siliciului sună puțin mai aproape de SF: în 2006, cercetătorii au anunțat că au creat un cip de calculator care a îmbinat componente de siliciu cu celule cerebrale. Semnalele electrice de la celulele creierului puteau fi transmise către componentele electronice de siliciu ale cipului și invers. Speranța este de a crea în cele din urmă dispozitive electronice pentru a trata tulburările neurologice.

Un studiu din 2018 apărut în Nature testează un nou tip de dispozitiv cuantic realizat din siliciu. Calculatoarele cuantice ar putea deveni într-o zi norma, depășind tehnologia actuală a computerelor cu capacitatea de a efectua calcule în paralel. Crearea acestor dispozitive folosind aceleași tehnici de construire a cipurilor tradiționale de siliciu ar putea accelera dezvoltarea acestor dispozitive, ceea ce ar putea duce la noi utilizări ale dispozitivelor cuantice.

Siliciul este, de asemenea, promițător în crearea de lasere incredibil de mici numite nanoneedles, care pot fi folosite pentru a transmite date mai rapid și mai eficient decât cablurile optice tradiționale. Laserele supraconductoare elimină căldura mult mai ușor decât cele din sticlă, a declarat John Badding, chimist de materiale la Universitatea Penn State. Acest lucru înseamnă că se pot lăuda cu o putere mai mare decât laserele tradiționale.

Badding și echipa sa lucrează, de asemenea, la crearea următoarei generații de fibre optice care integrează supraconductori în loc de simpla sticlă, a declarat el pentru Live Science.

„Semiconductorii au o întreagă varietate de proprietăți pe care nu le poți obține cu ajutorul sticlei”, a spus Badding. Faptul de a avea materiale semiconductoare încorporate în fibrele optice ar permite mini-electronică inclusă în aceste cabluri, care sunt cruciale pentru trimiterea de informații pe distanțe mari. Cablurile semiconductoare ar permite, de asemenea, manipularea luminii în fibră, a adăugat Badding.

Cipsurile tradiționale de siliciu sunt realizate prin depunerea de straturi ale elementului pe o suprafață plană, de obicei pornind de la un gaz precursor cum ar fi silanul (SiH4) și lăsând gazul să se solidifice, a spus Badding. Cablurile, pe de altă parte, sunt trase. Pentru a face un cablu de fibră optică din sticlă, ați începe cu o tijă de sticlă, ați încălzi-o și apoi ați trage-o ca pe o caramelă, lungind-o într-un fir lung și subțirel.

Badding și colegii săi au descoperit o modalitate de a obține semiconductori în această formă asemănătoare spaghetelor. Ei folosesc fibre de sticlă trase cu găuri minuscule și apoi comprimă gaze precum silanul la presiuni mari pentru a le forța să intre în acele spații.

„Ar fi ca și cum ai umple un furtun de grădină care merge de la Penn State la New York complet solid cu siliciu”, a spus Badding. „Te-ai gândi că lucrurile se vor bloca și se vor încurca, dar nu este așa.”

Firmele semiconductoare rezultate sunt de trei până la patru ori mai subțiri decât un fir de păr uman. Badding și echipa sa experimentează, de asemenea, cu alți semiconductori, cum ar fi seleniura de zinc (zinc și seleniu) pentru a crea fibre cu capacități nemaiîntâlnite până acum.

Mai multe despre siliciu:

• Pentru o privire amuzantă și interesantă asupra istoriei Silicon Valley, inclusiv informații despre mințile și produsele implicate în crearea startup-urilor de înaltă tehnologie, consultați cronologia interactivă Silicon Valley a NPR.
• Poate că sunt apropiate în tabelul periodic al elementelor, dar siliciul și carbonul sunt fiare chimice diferite. Iată o privire a celor de la Dow Corning asupra diferențelor dintre ele, care se rezumă la faptul că unul este organic și celălalt anorganic.
• HowStuffWorks are o analiză excelentă a modului în care funcționează semiconductorii și cum siliciul este un jucător important.
• Vreți să aflați cum sunt fabricate faimoasele cipuri Intel, făcute din siliciu, desigur? Compania de tehnologie descrie istoria cipurilor sale, cum s-au schimbat de-a lungul timpului, cum sunt fabricate și cum funcționează.

Reportaj suplimentar de Rachel Ross, colaborator al Live Science.