Existe um elemento tão abundante e versátil que se tornou fundamental para o nosso mundo moderno. Esse elemento é o silício, um semicondutor que está no coração de todos os dispositivos eletrônicos que usamos hoje.
O silício é um elemento químico com símbolo Si e número atômico 14. É um sólido duro e cristalino com brilho metálico azul-acinzentado e é um metalóide e semicondutor tetravalente. É o segundo elemento mais abundante na crosta terrestre (cerca de 28% em massa) depois do oxigênio.
O silício tem um ponto de fusão de 1414 °C e um ponto de ebulição de 3265 °C. É relativamente inerte, não reagindo com oxigênio ou água. Quando aquecido reage com halogênios e álcalis diluídos. O silício existe em duas formas alotrópicas; o silício marrom é um pó, enquanto o silício cristalino (metálico) é muito frágil.
A configuração eletrônica do silício é \([Ne] 3s^2 3p^2\) . Esta configuração ilustra como o silício pode formar quatro ligações covalentes com outros átomos ou moléculas, tornando-o incrivelmente versátil na formação de compostos.
A capacidade do silício de atuar como semicondutor, o que significa que pode conduzir eletricidade sob algumas condições, mas não em outras, o torna essencial na fabricação de dispositivos eletrônicos. Essa propriedade permite o controle de correntes elétricas, o que é fundamental em dispositivos que vão desde microchips e células solares até smartphones e computadores.
No centro do papel do silício na tecnologia está o chip de silício, ou circuito integrado. Este dispositivo, feito de uma fina fatia de silício, pode conter de milhares a milhões de transistores. Os transistores, atuando como interruptores, controlam o fluxo de corrente elétrica nos dispositivos.
O silício não é encontrado livre na natureza, mas ligado a minerais como quartzo, feldspato, mica e argila. É também um componente significativo da areia. Através do processo de mineração e refino, o silício puro é extraído para uso industrial.
O silício também é crucial na biologia, embora não seja tão amplamente conhecido. Alguns organismos microscópicos, como as diatomáceas, usam silício para fortalecer as paredes celulares. O uso do silício pelos organismos vivos é um exemplo da versatilidade desse elemento.
Um dos compostos de silício mais conhecidos é o dióxido de silício ( \(SiO_2\) ), comumente conhecido como quartzo. Este composto forma a base do vidro, da cerâmica e do cimento. O carboneto de silício ( \(SiC\) ), outro composto, é usado como abrasivo e em coletes à prova de balas.
O silício puro é obtido pela redução do dióxido de silício com carbono em um forno elétrico a arco em temperaturas acima de 2.000°C. A equação para esta reação é:
\(SiO_2 + 2C \rightarrow Si + 2CO\)
Este processo produz silício de grau metalúrgico, que é posteriormente refinado para produzir silício de grau semicondutor. Isso envolve um processo conhecido como refino de zona, onde as impurezas são removidas pela fusão de pequenas seções de um lingote de silício e permitindo sua recristalização.
Embora o silício em si não seja prejudicial, o processo de extração e refino do silício pode ter impactos ambientais. A mineração de areia de quartzo (uma fonte primária de silício) e a produção de silício metálico e compostos de silício podem causar poluição do ar e da água. Esforços estão em andamento na indústria para reduzir esses impactos por meio de iniciativas de reciclagem e melhoria de processos.
À medida que continuamos a ultrapassar os limites da tecnologia, espera-se que a procura de silício e dos seus compostos cresça. Estão em andamento pesquisas para a criação de semicondutores à base de silício ainda mais eficientes, bem como para materiais alternativos que possam um dia substituir ou funcionar junto com o silício.
Uma área de intenso estudo é o desenvolvimento de pontos quânticos de silício, que têm potencial para uso em computação quântica. Os computadores quânticos, ao contrário dos computadores tradicionais, utilizam os princípios da mecânica quântica para realizar cálculos complexos a velocidades sem precedentes.
Há também pesquisas em andamento sobre o uso potencial do silício em tecnologias de armazenamento de energia. Os ânodos de silício estão sendo estudados para uso em baterias de íon-lítio porque possuem capacidade muito maior que os ânodos de grafite tradicionais. Isto poderia aumentar significativamente a vida útil da bateria de dispositivos eletrônicos e veículos elétricos.
O silício é mais do que apenas um elemento; é um pilar fundamental do cenário tecnológico moderno. Suas propriedades únicas permitem a operação de dispositivos eletrônicos e sua abundância o torna um material essencial para uma ampla gama de aplicações. À medida que continuamos a explorar e a refinar as capacidades do silício, ele permanece na vanguarda do nosso avanço rumo ao futuro da tecnologia.
Para compreender as propriedades semicondutoras do silício, um experimento comumente realizado envolve medir a condutividade do silício à medida que é aquecido. Num ambiente controlado, uma amostra de silício é ligada a um circuito com um sensor de temperatura e um multímetro. À medida que o silício é gradualmente aquecido, a sua condutividade aumenta, demonstrando a sua natureza semicondutora. Esta experiência ilustra como o silício pode conduzir mais eletricidade a temperaturas mais elevadas, um princípio que é explorado em vários dispositivos eletrónicos.
