Kuna kipengele kikubwa sana na kinachoweza kubadilika kiasi kwamba kimekuwa msingi kwa ulimwengu wetu wa kisasa. Kipengele hiki ni silicon, semiconductor ambayo iko katikati ya kila kifaa cha kielektroniki tunachotumia leo.
Silikoni ni kipengele cha kemikali chenye alama ya Si na nambari ya atomiki 14. Ni ngumu, isiyo na fuwele yenye mng'aro wa metali ya bluu-kijivu, na ni metalloid ya tetravalent na semiconductor. Ni kipengele cha pili kwa wingi katika ukoko wa Dunia (karibu 28% kwa wingi) baada ya oksijeni.
Silicon ina kiwango myeyuko cha 1414 °C na kiwango cha mchemko cha 3265 °C. Ni ajizi kiasi, haijibu kwa oksijeni au maji. Inapokanzwa humenyuka pamoja na halojeni na kuondokana na alkali. Silicon ipo katika aina mbili za allotropic; silicon ya kahawia ni unga, ambapo silikoni ya fuwele (metali) ni brittle sana.
Usanidi wa kielektroniki wa silicon ni \([Ne] 3s^2 3p^2\) . Usanidi huu unaonyesha jinsi silicon inavyoweza kuunda vifungo vinne vya ushirikiano na atomi au molekuli nyingine, na kuifanya kuwa na mabadiliko mengi katika kuunda misombo.
Uwezo wa silicon kufanya kazi kama semiconductor, kumaanisha kuwa inaweza kuendesha umeme chini ya hali fulani lakini sio zingine, inafanya kuwa muhimu katika utengenezaji wa vifaa vya elektroniki. Mali hii inaruhusu udhibiti wa mikondo ya umeme, ambayo ni muhimu katika vifaa kutoka kwa microchips na seli za jua hadi simu mahiri na kompyuta.
Kiini cha jukumu la silicon katika teknolojia ni chipu ya silicon, au mzunguko jumuishi. Kifaa hiki, kilichotengenezwa kwa kipande chembamba cha silicon, kinaweza kubeba maelfu hadi mamilioni ya transistors. Transistors, hufanya kama swichi, kudhibiti mtiririko wa sasa wa umeme kwenye vifaa.
Silicon haipatikani bila malipo katika asili, lakini imefungwa katika madini kama vile quartz, feldspar, mica, na udongo. Pia ni sehemu muhimu ya mchanga. Kupitia mchakato wa kuchimba madini na kusafisha, silicon safi hutolewa kwa matumizi ya viwandani.
Silicon pia ni muhimu katika biolojia, ingawa haijulikani sana. Baadhi ya viumbe vidogo, kama vile diatomu, hutumia silicon kuimarisha kuta zao za seli. Utumiaji huu wa silicon kwa viumbe hai ni mfano wa jinsi kipengele hiki kinavyoweza kubadilika.
Mojawapo ya misombo ya silicon inayojulikana zaidi ni dioksidi ya silicon ( \(SiO_2\) ), inayojulikana kama quartz. Kiwanja hiki hufanya msingi wa kioo, keramik, na saruji. Silicon carbide ( \(SiC\) ), kiwanja kingine, hutumika kama abrasive na katika fulana zisizo na risasi.
Silicon safi hupatikana kwa kupunguzwa kwa dioksidi ya silicon na kaboni kwenye tanuru ya arc ya umeme kwenye joto la zaidi ya 2000 ° C. Mlinganyo wa majibu haya ni:
\(SiO_2 + 2C \rightarrow Si + 2CO\)
Mchakato huu hutoa silicon ya daraja la metallurgiska, ambayo husafishwa zaidi ili kutoa silicon ya daraja la semiconductor. Hii inahusisha mchakato unaojulikana kama usafishaji wa eneo, ambapo uchafu huondolewa kwa kuyeyusha sehemu ndogo za ingoti ya silicon na kuziruhusu kufanya fuwele tena.
Ingawa silicon yenyewe haina madhara, mchakato wa kuchimba na kusafisha silicon unaweza kuwa na athari za mazingira. Uchimbaji wa mchanga wa quartz (chanzo kikuu cha silicon) na utengenezaji wa misombo ya chuma ya silicon na silicon inaweza kusababisha uchafuzi wa hewa na maji. Juhudi zinaendelea katika sekta hii ili kupunguza athari hizi kupitia urejelezaji na mipango ya uboreshaji.
Tunapoendelea kusukuma mipaka ya teknolojia, mahitaji ya silicon na misombo yake inatarajiwa kukua. Utafiti unaendelea ili kuunda semiconductors zenye ufanisi zaidi za silicon, na vile vile katika nyenzo mbadala ambazo zinaweza kuchukua nafasi au kufanya kazi pamoja na silicon siku moja.
Eneo moja la utafiti wa kina ni katika uundaji wa vitone vya silicon quantum, ambavyo vinashikilia uwezekano wa kutumika katika kompyuta ya quantum. Kompyuta za quantum, tofauti na kompyuta za jadi, hutumia kanuni za mechanics ya quantum kufanya hesabu ngumu kwa kasi isiyo ya kawaida.
Pia kuna utafiti unaoendelea kuhusu matumizi ya silicon katika teknolojia za kuhifadhi nishati. Anodi za silicon zinachunguzwa kwa matumizi katika betri za lithiamu-ioni kwa sababu zina uwezo wa juu zaidi kuliko anodi za jadi za grafiti. Hii inaweza kuongeza kwa kiasi kikubwa maisha ya betri ya vifaa vya elektroniki na magari ya umeme.
Silicon ni zaidi ya kipengele; ni nguzo ya msingi ya mandhari ya kiteknolojia ya kisasa. Mali yake ya kipekee huwezesha uendeshaji wa vifaa vya umeme, na wingi wake hufanya kuwa nyenzo muhimu kwa ajili ya maombi mbalimbali. Tunapoendelea kuchunguza na kuboresha uwezo wa silicon, inasalia kuwa mstari wa mbele katika harakati zetu za siku zijazo za teknolojia.
Ili kuelewa sifa za semiconductor ya silicon, jaribio moja linalofanywa kwa kawaida linahusisha kupima upitishaji wa silicon inapowaka. Katika mazingira yaliyodhibitiwa, sampuli ya silicon imefungwa kwenye mzunguko na sensor ya joto na multimeter. Wakati silicon inapokanzwa hatua kwa hatua, conductivity yake huongezeka, kuonyesha asili yake ya semiconductor. Jaribio hili linaonyesha jinsi silicon inavyoweza kutoa umeme mwingi katika halijoto ya juu zaidi, kanuni ambayo hutumiwa katika vifaa mbalimbali vya kielektroniki.
