Što je silicij i zašto se od njega izrađuju računalni čipovi?

Moglo bi se činiti glupim pitanjem na koje bi se moglo odgovoriti u samo nekoliko kratkih riječi: Silicij je 14. element Periodnog sustava. To je jedan od temeljnih sastojaka svemira, jedan proton teži od aluminija, jedan lakši od fosfora. Ipak, silicij se, više nego bilo koji drugi element, prečesto pojavljuje na web mjestu kao što je 2007es.com - glavna je komponenta u građevinskim materijalima koji čine vaš dom, osnova je svih trenutnih računalnih procesora, a čak je i većina vjerojatni kandidat koji bi temeljio izvanzemaljski život koji se ne temelji na ugljiku. Što točno silicij čini tako posebnim?

Pa puno stvari.



Silicij kao gradivni blok



Najvažnije među prepoznatljivim značajkama silicija je to što ga, jednostavno, ima vraški puno. Nakon kisika, to je drugi najrasprostranjeniji element u Zemljinoj kori, ali nemojte očekivati ​​da će ga pronaći samo kako leži. Silicij se u prirodi gotovo nikada ne nalazi u čistom stanju i gotovo uvijek dolazi kao spoj s drugim elementima. Najčešće se nalazi kao silikat (SiO4, Ili jedan atom silicija vezan za četiri atoma kisika) i silicijev dioksid (SiOdvaili jedan atom silicija vezan za dva atoma kisika). Silicijev dioksid, u grubom i vrlo kontaminiranom obliku, primarna je komponenta pijeska. Feldspat, granit, kvarc i još više temelje se na silicij-kisikovim spojevima.

Pomiješajte ovo s vodom i šljunkom, i vi

Pomiješajte ovo s vodom i šljunkom i dobili ste beton.



Silicijevi spojevi imaju širok spektar korisnih svojstava, ponajviše zato što mogu vrlo čvrsto vezati druge atome i u složenom rasporedu. Razni silikati, poput kalcijevog silikata, primarni su sastojak portland cementa, glavno vezivo u betonu, mortu, pa čak i štukaturi. Neki materijali bogati silikatima mogu se zagrijati da bi se stvrdnula keramika poput porculana, dok će se drugi stopiti i stvoriti primarni oblik stakla na svijetu, soda-vapneno staklo. A silicij također može biti koristan kao aditiv u tragovima u drugim tvarima, poput lijevanog željeza, koje koristi ugljik i silicij kako bi željezo učinilo elastičnijim i manje lomljivim.

I da, silicij je također glavna strukturna komponenta silikona od sintetičkog materijala, ali nemojte ih miješati - ako je to stvarno bila Silikonska dolina, tehnološki svijet sasvim je drugo mjesto nego što ga danas vidimo.

Silicij kao računalni čip



Pri odabiru elementa koji će se koristiti kao osnova računalnog tranzistora, ključna riječ je otpor. Vodiči imaju mali otpor i vrlo lako prolaze kroz električnu struju, dok izolatori imaju (predvidljivo) veliki otpor i usporavaju ili blokiraju protok elektrona. Za tranzistor, koji mora biti sposoban uključivati ​​i isključivati ​​po volji, potreban nam je a polu-vodič, tvar s otporom između vodiča i izolatora. Najbolji poluprovodnici za industriju mogu se tretirati širokim spektrom 'dodavača' kako bi se po potrebi fino prilagodila njihova otpornost.

Čisti kristal silicija, nazvan ingot.

Čisti kristal silicija, nazvan ingot.

Silicij nije jedina poluvodička tvar na Zemlji - čak nije ni najbolji poluvodič na Zemlji. Ono što je to, daleko je najzastupljeniji poluvodič na Zemlji. Silicij je dostupan u cijelom svijetu; ne trebate ga uvoziti iz posebnih afričkih rudnika ili raditi mjesece skupog i onečišćujućeg tretmana samo da biste ga dobili. S njim je lako raditi, a što je najvažnije, znanstvenici su smislili pouzdane načine za uzgoj u savršeno uređene kristale. Ti kristali su za silicij kao i dijamant za ugljik.

Uzgoj ogromnih, gotovo savršenih kristala silicija jedna je od primarnih vještina u modernoj proizvodnji računalnih čipova. Zatim se ti kristali narežu na tanke oblatne, zatim se graviraju, obrađuju i tretiraju na stotine različitih načina prije nego što se kockice prerežu u pojedinačne kockice i spakiraju u komercijalne procesore. Moguće je napraviti vrhunske tranzistore od stvari poput ugljika i još egzotičnijih materijala poput germanija, ali niti jedan od njih ne dopušta onakvu vrstu masivne proizvodnje silicija koja omogućuje veliki rast kristala - barem još ne.

Trenutno se silicijski kristali (zvani 'ingoti') izrađuju u cilindrima promjera 300 mm, ali istraživanja se brzo približavaju pragu od 450 mm. To bi trebalo pomoći u smanjenju proizvodnih troškova, a time i na brzinu da raste, barem još jedno desetljeće. Nakon toga? Napokon možda neće biti druge nego napustiti silicij zbog nečeg manje obilnog i jednostavnog za rad - dobre vijesti za brzine obrade, ali gotovo sigurno loše vijesti za vaš novčanik.

Silicij kao vanzemaljski život

silicij 5

Izraz 'život temeljen na ugljiku' često se baca, ali što to zapravo znači? To znači da su temeljne strukturne molekule koje čine naša tijela (proteini, aminokiseline, nukleinske kiseline, masne kiseline i još mnogo toga) izgrađene na kosturima ugljikovih atoma. To je zato što ugljik ima veliko svojstvo da je 'četverovalentan'. Kisik može stvoriti samo dvije stabilne kemijske veze odjednom (što dovodi do vode ili HdvaO), a dušika samo tri (što dovodi do amonijaka ili NH3), Ali ugljik može stabilno zadržati do četiri različita atoma odjednom (čime nam daje metan ili CH4). Tetravalencija je snažna osnova za izgradnju molekula koje su i snažne i geometrijski složene, a taj dvojac kemijskih vrlina omogućio je evoluciju čitavog života koji je trenutno poznat u svemiru.

Zvjezdane staze

Zvjezdane staze'S Horta su navodno na bazi silicija.

Ipak, ako znamo kako je organiziran Periodni sustav, znamo da elementi u okomitom stupcu imaju slična kemijska svojstva - a točno ispod ugljika je silicij. Zbog toga su autori znanstvene fantastike potrošili toliko vremena i tinte na ideju života utemeljenog na siliciju; budući da je sam po sebi četverovalentni, silicij je najvjerojatniji alternativni strukturni element u potpuno novim oblicima života. Silicij se također rado snažno veže za druge atome silicija (baš poput ugljika za ugljik) i tako može dvostruko zaključati određene konformacije na svoje mjesto. Pretpostavlja se da su oboje presudni za omogućavanje razvoja života.

Naravno, budući da je silicija toliko puno više na Zemlji od ugljika, mora postojati razlog da smo organski (na bazi ugljika), a ne na osnovi silicija - i taj se razlog vraća na Periodni sustav. Ne ulazeći u previše detalja, elementi koji su okomito niži na Periodnom sustavu imaju teže jezgre i veće elektronske ljuske; silicij je fizički veći i teži od ugljika, što ga čini manje pogodnim za superfine zadatke poput, na primjer, rekombinantne DNA. Silicij je također manje reaktivan od ugljika, što znači da život na bazi silicija može biti manje kemijski raznolik ili zahtijevati mnogo širi spektar silicijskih enzima koji pokreću reakciju da bi prisilili kemijski manje poželjne spojeve na postojanje.

Činjenica da je sav život na Zemlji organski, usprkos tome što atomi silicija na planetu premašuju atome ugljika gotovo tisuću prema jedan, mogla bi biti pokazatelj koliko je vjerojatno da će se to dogoditi negdje drugdje u svemiru. Ovdje ima dosta vrsta koje koriste silicij u ovoj ili onoj mjeri, ali nijedna koja ga koristi kao strukturni element DNK. Život na bazi silicija svakako je moguć, ali ako postoji postoji velika šansa da nikada ne bi mogao napredovati do razine složenosti koju je ugljik dopuštao ovdje kod kuće.

Silicij i ti

Silicij će se pojavljivati ​​u vašem feedu vijesti još mnogo godina. Iako neki gledaju na ugljik i druge ne-silicijske elemente kao na platformu za računanje sljedeće generacije, što će biti potrebno ako želimo nastaviti eksponencijalni povijesni trend u računalnoj moći, silicij ostaje supstanca izbora na mnogim poljima. Hoćemo li pronaći nove i uzbudljive načine za kontrolu njegove obrade elektrona? Možda. Hoćemo li otkriti da je u osnovi čitavog života u svemiru, osim onog koji je evoluirao na Zemlji? Vjerojatno ne, iako je to moguće. U najmanju ruku, nismo ni blizu napuštanja njegove upotrebe kao građevinskog materijala, jer su silicijevi spojevi osnova za stijenu koja čini veliku većinu Zemljine kore.

Moguće je da ćemo ostaviti silicij iza sebe - ali to nije bilo manje moguće prije 20 godina. Po svoj prilici, i dalje će biti jedna od najvažnijih tvari za napredovanje ljudskog ovladavanja fizičkim svijetom.

Copyright © Sva Prava Pridržana | 2007es.com