Има елемент толку изобилен и разноврсен што стана фундаментален за нашиот модерен свет. Овој елемент е силикон, полупроводник кој лежи во срцето на секој електронски уред што го користиме денес.
Силиконот е хемиски елемент со симбол Si и атомски број 14. Тој е тврда, кристална цврста материја со сино-сив метален сјај и е четиривалентен металоид и полупроводник. Тој е вториот најзастапен елемент во Земјината кора (околу 28% по маса) по кислородот.
Силиконот има точка на топење од 1414 °C и точка на вриење од 3265 °C. Релативно е инертен, не реагира со кислород или вода. Кога се загрева, реагира со халогени и разредени алкали. Силиконот постои во две алотропни форми; кафеавиот силициум е прашок, додека кристалниот (метален) силициум е многу кршлив.
Електронската конфигурација на силиконот е \([Ne] 3s^2 3p^2\) . Оваа конфигурација илустрира како силиконот може да формира четири ковалентни врски со други атоми или молекули, што го прави неверојатно разновиден во формирањето соединенија.
Способноста на силиконот да дејствува како полупроводник, што значи дека може да спроведува електрична енергија во некои услови, но не и во други, го прави суштински во производството на електронски уреди. Ова својство овозможува контрола на електричните струи, што е критично кај уредите од микрочипови и соларни ќелии до паметни телефони и компјутери.
Во срцето на улогата на силиконот во технологијата е силиконскиот чип, или интегрираното коло. Овој уред, направен од тенко парче силикон, може да собере илјадници до милиони транзистори. Транзисторите, кои дејствуваат како прекинувачи, го контролираат протокот на електрична струја во уредите.
Силиконот не се наоѓа слободен во природата, но врзан во минерали како што се кварц, фелдспат, мика и глина. Тоа е исто така значајна компонента на песокот. Преку процесот на рударство и рафинирање, се екстрахира чист силициум за индустриска употреба.
Силиконот е исто така клучен во биологијата, иако не толку широко познат. Некои микроскопски организми, како што се диатомите, користат силициум за зајакнување на нивните клеточни ѕидови. Оваа употреба на силикон од живите организми е пример за тоа колку е разновиден овој елемент.
Едно од најпознатите силициумски соединенија е силициум диоксид ( \(SiO_2\) ), попознат како кварц. Ова соединение ја формира основата на стакло, керамика и цемент. Силициум карбид ( \(SiC\) ), друго соединение, се користи како абразивно средство и во елеци отпорни на куршуми.
Чистиот силициум се добива со редукција на силициум диоксид со јаглерод во електрична лачна печка на температури над 2000°C. Равенката за оваа реакција е:
\(SiO_2 + 2C \rightarrow Si + 2CO\)
Овој процес дава силикон од металуршки степен, кој дополнително се рафинира за да се произведе силикон од полупроводничка класа. Ова вклучува процес познат како зонско рафинирање, каде што нечистотиите се отстрануваат со топење на мали делови од силиконски ингот и дозволувајќи им да се рекристализираат.
Иако самиот силикон не е штетен, процесот на екстракција и рафинирање на силиконот може да има влијанија врз животната средина. Ископувањето на кварцен песок (примарен извор на силициум) и производството на силициум метал и силициум соединенија може да доведат до загадување на воздухот и водата. Во тек се напори во индустријата да се намалат овие влијанија преку иницијативи за рециклирање и подобрување на процесите.
Како што продолжуваме да ги поместуваме границите на технологијата, побарувачката за силициум и неговите соединенија се очекува да расте. Во тек е истражување за создавање уште поефикасни полупроводници базирани на силикон, како и за алтернативни материјали кои еден ден би можеле да ги заменат или да работат заедно со силиконот.
Една област на интензивно проучување е развојот на силиконски квантни точки, кои имаат потенцијал за употреба во квантното пресметување. Квантните компјутери, за разлика од традиционалните компјутери, ги користат принципите на квантната механика за да вршат сложени пресметки со невидени брзини.
Исто така, во тек е истражување за потенцијалната употреба на силикон во технологиите за складирање енергија. Силиконските аноди се проучуваат за употреба во литиум-јонски батерии бидејќи имаат многу поголем капацитет од традиционалните графитни аноди. Ова може значително да го зголеми траењето на батеријата на електронските уреди и електричните возила.
Силиконот е повеќе од само елемент; тоа е основен столб на современиот технолошки пејзаж. Неговите уникатни својства овозможуваат работа на електронски уреди, а неговото изобилство го прави клучен материјал за широк опсег на апликации. Како што продолжуваме да ги истражуваме и усовршуваме можностите на силиконот, тој останува во првите редови на нашиот притисок кон иднината на технологијата.
За да се разберат полупроводничките својства на силициумот, еден вообичаен експеримент вклучува мерење на спроводливоста на силициумот додека се загрева. Во контролирана средина, силиконски примерок е прикачен на коло со температурен сензор и мултиметар. Како што силиконот постепено се загрева, неговата спроводливост се зголемува, покажувајќи ја неговата полупроводничка природа. Овој експеримент илустрира како силиконот може да спроведе повеќе електрична енергија на повисоки температури, принцип што се користи во различни електронски уреди.
