هناك عنصر وفير ومتعدد الاستخدامات لدرجة أنه أصبح أساسيًا لعالمنا الحديث. هذا العنصر هو السيليكون، وهو مادة شبه موصلة تقع في قلب كل جهاز إلكتروني نستخدمه اليوم.
السيليكون عنصر كيميائي رمزه Si ورقمه الذري 14. وهو مادة صلبة بلورية ذات بريق معدني أزرق رمادي، وهو شبه فلز رباعي التكافؤ وأشباه الموصلات. وهو ثاني أكثر العناصر وفرة في القشرة الأرضية (حوالي 28% من حيث الكتلة) بعد الأكسجين.
يحتوي السيليكون على نقطة انصهار تبلغ 1414 درجة مئوية ونقطة غليان تبلغ 3265 درجة مئوية. وهو خامل نسبياً، ولا يتفاعل مع الأكسجين أو الماء. عند تسخينه يتفاعل مع الهالوجينات والقلويات المخففة. يوجد السيليكون في شكلين متآصلين؛ السيليكون البني عبارة عن مسحوق، في حين أن السيليكون البلوري (المعدني) هش للغاية.
التكوين الإلكتروني للسيليكون هو \([Ne] 3s^2 3p^2\) . يوضح هذا التكوين كيف يمكن للسيليكون أن يشكل أربع روابط تساهمية مع ذرات أو جزيئات أخرى، مما يجعله متعدد الاستخدامات بشكل لا يصدق في تكوين المركبات.
إن قدرة السيليكون على العمل كأشباه الموصلات، مما يعني أنه يمكنه توصيل الكهرباء في ظل بعض الظروف دون غيرها، يجعله ضروريًا في تصنيع الأجهزة الإلكترونية. تسمح هذه الخاصية بالتحكم في التيارات الكهربائية، وهو أمر بالغ الأهمية في الأجهزة بدءًا من الرقائق الدقيقة والخلايا الشمسية وحتى الهواتف الذكية وأجهزة الكمبيوتر.
في قلب دور السيليكون في التكنولوجيا توجد شريحة السيليكون، أو الدائرة المتكاملة. هذا الجهاز، المصنوع من شريحة رقيقة من السيليكون، يمكنه استيعاب آلاف إلى ملايين الترانزستورات. تعمل الترانزستورات كمفاتيح، وتتحكم في تدفق التيار الكهربائي في الأجهزة.
لا يوجد السيليكون حرًا في الطبيعة، ولكنه مرتبط بالمعادن مثل الكوارتز والفلسبار والميكا والطين. وهو أيضًا مكون مهم للرمل. ومن خلال عملية التعدين والتكرير، يتم استخراج السيليكون النقي للاستخدام الصناعي.
يلعب السيليكون أيضًا دورًا حاسمًا في علم الأحياء، على الرغم من أنه ليس معروفًا على نطاق واسع. تستخدم بعض الكائنات المجهرية، مثل الدياتومات، السيليكون لتقوية جدران خلاياها. يعد استخدام الكائنات الحية للسيليكون مثالاً على مدى تنوع هذا العنصر.
أحد أشهر مركبات السيليكون هو ثاني أكسيد السيليكون ( \(SiO_2\) )، المعروف باسم الكوارتز. يشكل هذا المركب أساس الزجاج والسيراميك والأسمنت. كربيد السيليكون ( \(SiC\) )، مركب آخر، يُستخدم كمادة كاشطة وفي السترات الواقية من الرصاص.
يتم الحصول على السيليكون النقي عن طريق اختزال ثاني أكسيد السيليكون مع الكربون في فرن القوس الكهربائي عند درجات حرارة تزيد عن 2000 درجة مئوية. معادلة هذا التفاعل هي:
\(SiO_2 + 2C \rightarrow Si + 2CO\)
تنتج هذه العملية سيليكون من الدرجة المعدنية، والذي يتم تكريره بشكل أكبر لإنتاج سيليكون من درجة أشباه الموصلات. يتضمن ذلك عملية تُعرف باسم "تكرير المنطقة"، حيث تتم إزالة الشوائب عن طريق صهر أجزاء صغيرة من سبيكة السيليكون والسماح لها بإعادة بلورتها.
في حين أن السيليكون في حد ذاته ليس ضارًا، إلا أن عملية استخراج السيليكون وتكريره يمكن أن يكون لها آثار بيئية. يمكن أن يؤدي تعدين رمل الكوارتز (المصدر الرئيسي للسيليكون) وإنتاج معدن السيليكون ومركبات السيليكون إلى تلوث الهواء والماء. وتبذل الجهود حاليًا في الصناعة لتقليل هذه التأثيرات من خلال مبادرات إعادة التدوير وتحسين العمليات.
ومع استمرارنا في دفع حدود التكنولوجيا، من المتوقع أن ينمو الطلب على السيليكون ومركباته. وتجري الأبحاث حاليًا لإنشاء أشباه موصلات أكثر كفاءة تعتمد على السيليكون، وكذلك لإنتاج مواد بديلة قد تحل محل السيليكون أو تعمل جنبًا إلى جنب معه في يوم من الأيام.
أحد مجالات الدراسة المكثفة هو تطوير نقاط السيليكون الكمومية، والتي تحمل إمكانية استخدامها في الحوسبة الكمومية. تستخدم أجهزة الكمبيوتر الكمومية، على عكس أجهزة الكمبيوتر التقليدية، مبادئ ميكانيكا الكم لإجراء حسابات معقدة بسرعات غير مسبوقة.
هناك أيضًا أبحاث مستمرة حول الاستخدام المحتمل للسيليكون في تقنيات تخزين الطاقة. تتم دراسة أنودات السيليكون لاستخدامها في بطاريات الليثيوم أيون لأنها تتمتع بقدرة أعلى بكثير من أنودات الجرافيت التقليدية. وهذا يمكن أن يزيد بشكل كبير من عمر بطارية الأجهزة الإلكترونية والمركبات الكهربائية.
السيليكون أكثر من مجرد عنصر؛ إنها ركيزة أساسية للمشهد التكنولوجي الحديث. خصائصه الفريدة تمكن من تشغيل الأجهزة الإلكترونية، ووفرته تجعله مادة أساسية لمجموعة واسعة من التطبيقات. وبينما نواصل استكشاف قدرات السيليكون وتحسينها، فإنه يظل في طليعة مساعينا نحو مستقبل التكنولوجيا.
لفهم خصائص أشباه الموصلات للسيليكون، تتضمن إحدى التجارب التي يتم إجراؤها بشكل شائع قياس موصلية السيليكون أثناء تسخينه. في بيئة خاضعة للرقابة، يتم توصيل عينة من السيليكون بدائرة تحتوي على مستشعر درجة الحرارة ومقياس متعدد. مع تسخين السيليكون تدريجيًا، تزداد موصليته، مما يدل على طبيعته شبه الموصلة. توضح هذه التجربة كيف يمكن للسيليكون توصيل المزيد من الكهرباء عند درجات حرارة أعلى، وهو مبدأ يتم استغلاله في الأجهزة الإلكترونية المختلفة.
