Postoji element koji je toliko bogat i svestran da je postao temeljan za naš moderni svijet. Ovaj element je silicij, poluvodič koji leži u srcu svakog elektroničkog uređaja koji danas koristimo.
Silicij je kemijski element sa simbolom Si i atomskim brojem 14. Tvrda je, kristalna krutina s plavo-sivim metalnim sjajem te je četverovalentni metaloid i poluvodič. Drugi je najzastupljeniji element u Zemljinoj kori (oko 28% mase) nakon kisika.
Silicij ima talište od 1414 °C i vrelište od 3265 °C. Relativno je inertan, ne reagira s kisikom ili vodom. Zagrijavanjem reagira s halogenima i razrijeđenim alkalijama. Silicij postoji u dva alotropska oblika; smeđi silicij je prah, dok je kristalni (metalni) silicij vrlo krt.
Elektronska konfiguracija silicija je \([Ne] 3s^2 3p^2\) . Ova konfiguracija ilustrira kako silicij može formirati četiri kovalentne veze s drugim atomima ili molekulama, što ga čini nevjerojatno svestranim u stvaranju spojeva.
Sposobnost silicija da djeluje kao poluvodič, što znači da može provoditi struju pod nekim uvjetima, ali ne i pod drugima, čini ga ključnim u proizvodnji elektroničkih uređaja. Ovo svojstvo omogućuje kontrolu električne struje, što je kritično u uređajima od mikročipova i solarnih ćelija do pametnih telefona i računala.
U središtu uloge silicija u tehnologiji je silicijski čip ili integrirani krug. Ovaj uređaj, napravljen od tanke kriške silicija, može držati tisuće do milijune tranzistora. Tranzistori, djelujući kao sklopke, kontroliraju protok električne struje u uređajima.
Silicij se ne nalazi slobodan u prirodi, već vezan u mineralima kao što su kvarc, feldspat, tinjac i glina. Također je značajan sastojak pijeska. Kroz proces rudarenja i rafiniranja, čisti silicij se ekstrahira za industrijsku upotrebu.
Silicij je također ključan u biologiji, iako nije toliko poznat. Neki mikroskopski organizmi, poput dijatomeja, koriste silicij za jačanje svojih staničnih stijenki. Ova upotreba silicija od strane živih organizama primjer je koliko je ovaj element svestran.
Jedan od najpoznatijih spojeva silicija je silicijev dioksid ( \(SiO_2\) ), obično poznat kao kvarc. Ovaj spoj čini osnovu stakla, keramike i cementa. Silicijev karbid ( \(SiC\) ), još jedan spoj, koristi se kao abraziv i u pancirnim prslucima.
Čisti silicij dobiva se redukcijom silicijevog dioksida ugljikom u elektrolučnoj peći na temperaturama iznad 2000°C. Jednadžba za ovu reakciju je:
\(SiO_2 + 2C \rightarrow Si + 2CO\)
Ovaj proces daje silicij metalurške kvalitete, koji se dalje rafinira za proizvodnju silicija poluvodičke kvalitete. To uključuje proces poznat kao zonsko rafiniranje, gdje se nečistoće uklanjaju taljenjem malih dijelova silikonskog ingota i dopuštanjem da se rekristaliziraju.
Iako sam silicij nije štetan, proces ekstrakcije i rafiniranja silicija može imati utjecaj na okoliš. Eksploatacija kvarcnog pijeska (primarni izvor silicija) i proizvodnja metalnog silicija i spojeva silicija mogu dovesti do onečišćenja zraka i vode. U industriji se poduzimaju napori da se ti utjecaji smanje kroz inicijative za recikliranje i poboljšanje procesa.
Kako nastavljamo pomicati granice tehnologije, očekuje se da će potražnja za silicijem i njegovim spojevima rasti. Istraživanja su u tijeku za stvaranje još učinkovitijih poluvodiča na bazi silicija, kao i za alternativne materijale koji bi jednog dana mogli zamijeniti ili raditi uz silicij.
Jedno područje intenzivnog proučavanja je razvoj silicijevih kvantnih točaka, koje imaju potencijal za upotrebu u kvantnom računalstvu. Kvantna računala, za razliku od tradicionalnih računala, koriste principe kvantne mehanike za izvođenje složenih izračuna neviđenom brzinom.
Također je u tijeku istraživanje potencijalne upotrebe silicija u tehnologijama za pohranu energije. Silicijske anode se proučavaju za upotrebu u litij-ionskim baterijama jer imaju mnogo veći kapacitet od tradicionalnih grafitnih anoda. To bi moglo znatno produžiti trajanje baterije elektroničkih uređaja i električnih vozila.
Silicij je više od običnog elementa; to je temeljni stup modernog tehnološkog krajolika. Njegova jedinstvena svojstva omogućuju rad elektroničkih uređaja, a njegovo obilje čini ga ključnim materijalom za širok raspon primjena. Dok nastavljamo istraživati i usavršavati mogućnosti silicija, on ostaje na čelu našeg guranja u budućnost tehnologije.
Da bismo razumjeli poluvodička svojstva silicija, jedan uobičajeni eksperiment uključuje mjerenje vodljivosti silicija dok se zagrijava. U kontroliranom okruženju, uzorak silicija je spojen na strujni krug s senzorom temperature i multimetrom. Kako se silicij postupno zagrijava, njegova se vodljivost povećava, pokazujući njegovu poluvodičku prirodu. Ovaj eksperiment ilustrira kako silicij može provoditi više elektriciteta na višim temperaturama, princip koji se koristi u raznim elektroničkim uređajima.
