Free Press

Kisel är det element som vi kan tacka för den dator som du använder för att läsa dessa ord. Detta extremt vanliga grundämne, som är en viktig komponent i mikroelektronik och datachips, är också ansvarigt för varma, vita stränder – kiseldioxid, en oxid av kisel, är den vanligaste komponenten i sand.

Kisel är det sjunde vanligaste grundämnet i universum och det näst vanligaste grundämnet på planeten, efter syre, enligt Royal Society of Chemistry. Cirka 25 procent av jordskorpan består av kisel. Förutom datachips har kisel många användningsområden; konstigare ställen där detta grundämne förekommer är bland annat menskoppar, bröstimplantat och grytvantar – i form av silikon.

Vad gör kisel så speciellt att det har en hel dal i Kalifornien som är uppkallad efter det? Läs vidare.

Fakta

• Atomnummer (antal protoner i kärnan): 14
• Atomsymbol (i det periodiska systemet för grundämnen): Si
• Atomvikt (atomens genomsnittliga massa): 28,09
• Densitet: 2,3296 gram per kubikcentimeter
• Fas vid rumstemperatur: Fast
• Smältpunkt: 2 577 grader Fahrenheit (1 414 grader Celsius)
• Kokpunkt: 5 909 grader F (3 265 grader C)
• Antal isotoper (atomer av samma grundämne med olika antal neutroner): 24
• Första vanligaste isotopen: Si-28 (92 procent naturlig förekomst)

Halvledaren kisel

I naturen är kisel ingen ovanlighet. Det återfinns vanligtvis kopplat till ett par syremolekyler som kiseldioxid, även känd som kiseldioxid. Kvarts, en riklig ingrediens i sand, består av icke-kristalliserad kiseldioxid.

Kisel är varken metall eller icke-metall; det är en metalloid, ett grundämne som faller någonstans mellan de två. Kategorin metalloid är något av en gråzon, utan någon fast definition av vad som passar in, men metalloider har i allmänhet egenskaper hos både metaller och icke-metaller. De ser metalliska ut, men leder elektricitet endast tillfälligt väl. Kisel är en halvledare, vilket innebär att den leder elektricitet. Till skillnad från en typisk metall blir kisel dock bättre på att leda elektricitet när temperaturen ökar (metaller blir sämre på att leda elektricitet vid högre temperaturer).

Kisel isolerades först 1824 av den svenske kemisten Jöns Jacob Berzelius, som också upptäckte cerium, selen och torium, enligt Chemical Heritage Foundation. Berzelius värmde kiseldioxid med kalium för att rena kisel, enligt Thomas Jefferson National Accelerator Facility, men i dag värmer raffineringsprocessen kol med kiseldioxid i form av sand för att isolera grundämnet.

Kiseldioxid är en huvudingrediens i mycket lågteknologiska skapelser, inklusive tegel och keramik. Men det är i de högteknologiska sakerna som grundämnet verkligen gör sig gällande. Som halvledare används kisel för att tillverka transistorer, som förstärker eller växlar elektriska strömmar och är ryggraden i elektronik från radioapparater till iPhones.

Silikon används på olika sätt i solceller och datachips, där ett exempel är en metalloxidhalvledar-fälteffekttransistor (MOSFET), den grundläggande omkopplaren i mycket elektronik. För att göra kisel till en transistor förfalskas den kristallina formen av grundämnet med spårmängder av andra grundämnen, t.ex. bor eller fosfor, enligt Lawrence Livermore National Laboratory. Spårämnena binder sig till kiselatomerna och frigör elektroner som kan röra sig i hela materialet, enligt University of Virginia.

Om att skapa utrymmen av oförfalskat kisel kan ingenjörer skapa en lucka där dessa elektroner inte kan röra sig – som en strömbrytare i ”av”-läget.

För att sätta strömbrytaren i ”på”-läge placeras en metallplatta, som är ansluten till en strömkälla, i närheten av kristallen. När elektriciteten flödar blir plattan positivt laddad. Elektroner, som är negativt laddade, dras till den positiva laddningen, vilket gör att de kan ta språnget över segmentet av rent kisel. (Andra halvledare än kisel kan också användas i transistorer.)

Vem kunde veta?

• När astronauterna i Apollo 11 landade på månen 1969 lämnade de efter sig en vit påse som innehöll en kiselskiva som var något större än en silverdollar. På skivan finns 73 meddelanden, var och en från ett annat land, som uttrycker önskningar om god vilja och fred.
• Kisel är inte samma sak som silikon, den berömda polymeren som finns i bröstimplantat, menskoppar och annan medicinsk teknik. Silikon består av kisel tillsammans med syre, kol och väte. Eftersom det tål värme så bra har silikon i allt större utsträckning använts för att tillverka köksredskap, till exempel ugnshandskar och bakplåtar.
• Silikon kan vara farligt. När det andas in under långa perioder kan det orsaka en lungsjukdom som kallas silikos.
• Älskar du opalens skimrande färg? Tacka kisel. Ädelstenen är en form av kiseldioxid som är bunden med vattenmolekyler.
• Kiselkarbid (SiC) är nästan lika hårt som en diamant, enligt Institute of Materials, Minerals, and Mining. Den rankas som 9-9,5 på Mohs hårdhetsskala, vilket är något mindre än diamant, som har en hårdhet på 10.
• Plantor använder kisel för att stärka sina cellväggar. Elementet verkar vara ett viktigt näringsämne som bidrar till att ge motståndskraft mot sjukdomar, enligt en artikel från 1994 i tidskriften Proceedings of the National Academy of Sciences.
• Silicon Valley har fått sitt namn från det kisel som används i datachips. Smeknamnet dök upp för första gången 1971 i tidningen ”Electronic News.”
• Silikonbaserat liv, som Horta från ”Star Trek”, är kanske inte helt science fiction, enligt forskare från Caltech. Tidig forskning har visat att kisel kan införlivas i kolbaserade molekyler som proteiner.

Aktuell forskning

Dagens kiselforskning låter precis som sci-fi. 2006 meddelade forskare att de hade skapat ett datachip som smälte samman kiselkomponenter med hjärnceller. Elektriska signaler från hjärncellerna kunde överföras till chipets elektroniska kiselkomponenter och vice versa. Förhoppningen är att så småningom kunna skapa elektroniska enheter för att behandla neurologiska sjukdomar.

I en studie från 2018 som publiceras i Nature testas en ny typ av kvantanordning tillverkad av kisel. Kvantdatorer kan en dag bli normen och överträffa nuvarande datorteknik med förmågan att utföra beräkningar parallellt. Att skapa dessa enheter med hjälp av samma tekniker som används för att bygga traditionella kiselchips skulle kunna påskynda utvecklingen av dessa enheter, vilket potentiellt kan leda till nya användningsområden för kvantdatorer.

Silikon är också lovande när det gäller skapandet av otroligt små lasrar, så kallade nanonålar, som kan användas för att överföra data snabbare och mer effektivt än traditionella optiska kablar. Superledarlasrar avger värme mycket lättare än glaslasrar, säger John Badding, materialkemist vid Penn State University. Det innebär att de kan skryta med mer kraft än traditionella lasrar.

Badding och hans team arbetar också med att skapa nästa generations optiska fibrer som integrerar supraledare i stället för bara glas, berättade han för Live Science.

”Halvledare har en hel rad olika egenskaper som du helt enkelt inte kan få med glas”, sa Badding. Att ha halvledarmaterial inbäddat i optiska fibrer skulle göra det möjligt att inkludera mini-elektronik i dessa kablar, som är avgörande för att skicka information över långa avstånd. Halvledarkablar skulle också göra det möjligt att manipulera ljuset i fibern, tillade Badding.

Traditionella kiselchips tillverkas genom att man deponerar lager av elementet på en plan yta, vanligen genom att börja med en prekursorgas som silan (SiH4) och låta gasen stelna, sade Badding. Kablar, å andra sidan, dras. För att göra en glasfiberoptisk kabel skulle man börja med en glasstav, värma upp den och sedan dra ut den som en tafs och förlänga den till en lång, tunn tråd.

Badding och hans kollegor har kommit på ett sätt att få in halvledare i denna spaghettiliknande form. De använder dragna glasfibrer med små hål och komprimerar sedan gaser som silan under högt tryck för att tvinga in dem i dessa utrymmen.

”Det skulle vara som att fylla en trädgårdsslang som går från Penn State till New York helt fast med kisel”, säger Badding. ”Man skulle kunna tro att saker och ting skulle bli stoppade och ställa till det, men det gör de inte.”

De resulterande halvledarsträngarna är tre till fyra gånger tunnare än ett mänskligt hårstrå. Badding och hans team experimenterar också med andra halvledare, till exempel zinkselenid (zink och selen) för att skapa fibrer med kapacitet som aldrig tidigare skådats.

Mer om kisel:

• För en rolig och intressant titt på Silicon Valleys historia, inklusive information om de hjärnor och produkter som var inblandade i skapandet av de högteknologiska startupföretagen, kan du kolla in NPR:s interaktiva tidslinje för Silicon Valley.
• De må ligga nära varandra på det periodiska systemet för grundämnen, men kisel och kol är olika kemiska bestar. Dow Corning har här en titt på skillnaderna, som går ut på att den ena är organisk och den andra oorganisk.
• HowStuffWorks har en bra uppdelning av hur halvledare fungerar och hur kisel är en viktig aktör.
• Vill du ta reda på hur de berömda Intel-chipsen, som förstås är gjorda av kisel, tillverkas? Teknikföretaget beskriver chippens historia, hur de har förändrats med tiden, hur de tillverkas och hur de fungerar.

Tilläggsrapportering av Rachel Ross, medarbetare på Live Science.