در این مقاله به سراغ عنصر بسیار پرکاربرد اما نهچندان شناخته شدهای به نام سیلیسیم (Silicon) خواهیم رفت. مادهای که بیش از تصوراتمان، با زندگی ما در هم تنیده شده است.
تا چه حد با جدول تناوبی آشنایی دارید؟ هر یک از عناصر این جدول، در تشکیل جهان پیرامون ما سهیماند و به این ترتیب به زندگی ما گره خوردهاند.
عنصر سیلیسیم چیست؟
سیلیسیم با نماد شیمیایی Si یک شبهفلز است؛ عنصری که نه از خواص یک فلز برخوردار است و نه کاملاً یک غیرفلز است. اگر اکنون در جیبتان یک گوشی همراه است و یا روی کفشتان مقداری خاک نشسته، این را بدانید که عنصر سیلیسیم همراهتان است. اما در این مقاله میخواهیم درباره این عنصر همیشه در صحنه بیشتر بدانیم:
سیلیسیم همهجا یافت میشود
سیلیسیم هفتمین عنصر فراوان در سراسر جهان و یکی از فراوانترین عناصر در سیاره زمین است. این عنصر در پوسته زمین به وفور یافت میشود و اگر وزن آن را معیار قرار دهیم، بعد از اکسیژن دومین عنصر رایج روی زمین است. لایه گوشته، که زیر پوسته زمین وجود دارد نیز سرشار از سیلیسیم است. این عنصر شماره ۱۴ جدول تناوبی درست زیر کربن قرار گرفته است.
سیلیسیم همان سیلیکون نیست
ممکن است نام سیلیکون شما را یاد ایمپلنت سینه بیندازد اما در واقع این اصطلاحی است که به گروهی از مواد مصنوعی اطلاق میگردد که از ترکیب شیمیایی سیلیسیم و اکسیژن با مولکولهای کربن و هیدروژن که از دو طرف متصل میشوند، ساخته شدهاند. با ترکیب این گروههای مولکولی جانبی و تشکیل پیوند بین زنجیرههایشان، شیمیدانها سیلیکون را میسازند که کاربردهای متفاوتی دارد. سیلیکون در در پولیش ماشین و عایق دور کابلهای برق سیلیکون به کار رفته است. حتی در کولرهای منازل سیلیکون به متعادل نگاه داشتن سرما کمک میکند. سیلیکون در Silly Putty، این اسباببازی پرطرفدار امریکایی، هم وجود دارد. وسیلهای که در دوران جنگ جهانی اول، وقتی دانشمندان تلاش میکردند جایگزینی برای پاککن پیدا کنند، اختراع شد.
انسان هزاران سال است که از سیلیسیم استفاده میکند
سیلیکا اصلیترین جزء شیشه است و آشنایی انسان با آن دست کم به ۲۵۰۰ سال قبل میلاد یعنی زمانی برمیگردد که مصریها با کمک آن تسبیح میساختند. در چین، سلسلههای کین و هان از رنگدانههای بنفش و آبی ساخته شده از سیلیکات مس باریم برای ساخت مجسمههای تزئینی بسیاری از جمله تندیسهای ارتش تراکوتا استفاده میکردند.
قرنها طول کشید تا علم بتواند یک ماده را به دو عنصر مختلف اکسیژن و سیلیسیم تبدیل کند. در اواخر قرن ۱۸ میلادی، آنتونی لاووازیه شیمیدان فرانسوی، متوجه شد که عناصری که به عنوان مواد تشکیلدهنده زمین دستهبندی میشوند (عناصری خشک و سرد) بعضی اوقات همچون فلزات رفتار میکنند (سخت، متراکم و مقاوم در برابرخمشدگی)؛ سیلیکا نیز یکی از همین عناصر بود. شاید لاووازیه در آن زمان به این نتیجه رسیده بود که زمین از مولکولهای واقعی اکسیژن و یک شبهفلز ناشناخته دیگر تشکیل شده است.
در آن زمان این شیمیدان به دنبال راهی بود تا بتواند اتمهای اکسیژن را که با اتم سیلیسم پیوندهای مستحکمی تشکیل میدهند از این ترکیب حذف کند. اما با مرگ او در سال ۱۷۹۴ این علامت سؤال همچنان حل نشده باقی ماند. تا آن که در دهه ۱۸۲۰ یاکوب برسلیوس، شیمیدان سوئدی موفق شد تا در آزمایشگاه خود از طریق پالایش یک ترکیب سیلیسیمی، عنصر سیلیسیم را استخراج کند. گرچه هرگز مشخص نشد که ترکیب مذکور چه نام داشت و چگونه این استخراج صورت گرفت و از سوی دیگر، این پیشرفت غیر منتظرانه بسیار دیرتر از آن اتفاق افتاد که لاووازیه شاهد به اثبات رسیدن نظریههایش توسط برسلیوس باشد.
سیلیکا رایجترین شکل سیلیسیم است
گرچه سیلیکا را به عنوان سیلیسیم دیاکسید هم میشناسیم، این مولکول از ترکیب یک اتم سیلیسیم و ۲ اتم اکسیژن (SiO2) ساخته میشود. بیشتر آن چیزهایی که ما سیلیسم مینامیم در واقع سیلیکا هستند که هم در مواد معدنی و هم در گیاهان یافت میشوند. بسیاری از گیاهان سنگوارههای میکروسکوپی منحصر به فرد و زینتی به نام فیتولیت ایجاد میکنند که از جنس سیلیکاست و در خاک یافت میشود. دانشمندان علت شکلگیری این سنگوارهها را نمیدانند، اما شاید آنها در حکم محافظ گیاه در برابر آسیبهای میکروسکوپی عمل کنند و مانند حامی ساختاری آن ظاهر میشوند و یا شاید هم تنها راهی هستند که یک گیاه به کمک آن می تواند از تمام سیلیکای اضافی استفاده کند.
فیتولیتها پس از فروپاشی یک گیاه تا مدت طولانی به محیط اطراف آن میچسبند و باقی میمانند و به این طریق میتوانند تاریخ حقیقی یک منطقه اعم از آن که یک جنگل بوده و یا چمنزار و نیز چگونگی استفاده مردم از آن را نشان دهند. دان کابانس یک انسانشناس در دانشگاه روتگرز و کارشناس در زمینه فیتولیت، از این سنگواره میکروسکوپی برای کسب اطلاعات درباره اینکه چگونه نئاندرتالها در شمال اسپانیا خانه میساختند، استفاده کرده است. وی در گفتگو با Mental Floss گفت: « از آن جا که فیتولیتها در برابر آتش مقاوماند، میتوانیم بفهمیم نئاندرتالها چگونه آتش میساختند و یا غذای مصرفیشان چه بود».
با این حال، همیشه همه چیز در نهایت کمال نیست. در مورد فیتولیتها هم باید گفت که برخی اوقات دو گیاه متفاوت میتوانند یک فیتولیت مشابه بسازند و برخی از گیاهان هم اصلاً فیتولیت نمیسازند.
سیلیسیم عنصر اصلی در برخی سنگهای زینتی و زیباست
سنگهای زینتی زرق و برقدار مانند آمیتیس، انیکس یا سنگ باباغوری و عقیق همه و همه از سیلیکا ساخته شدهاند. در هر سنگ مولکولهای سیلیکا در یک ساختار هندسی سه بعدی که ساختار کریستال نامیده میشود، کنار هم قرار میگیرند. آرایشهای مختلف این مولکولها و نیز وجود برخی ناخالصیها به هر سنگ زینتی شکل منحصربهفردی اختصاص میدهد.
سیلیسیم را در موجودات ریز دریایی هم میتوانید بیابید
سیلیکا دیواره سلولی دیاتومها که نوعی جلبک هستند که در تمام جهان یافت میشوند را هم تشکیل میدهد. دیاتومها که در اشکال متفاوت وجدآوری وجود دارند، قادرند هم در آبهای شور و هم آبهای تازه و غیر راکد زندگی کنند. پس از مرگ این جلبکها، دیوارههای سلولیشان به رسوبات گچی «زمین دیاتومیک» بدل میشود که ما از آن در موارد زیادی از جای خواب گربه گرفته تا تولید خمیر دندان استفاده میکنیم.
سیلیسیم در تکنولوژی بسیار کارآمد است
سیلیسیم مانند یک نیمههادی عمل میکند؛ عنصری که نه در برابر الکتریسیته مقاوم است و نه به طور کامل رسانای الکتریکی محسوب میشود و در جایی بین این دو قرار دارد. نیمههادی بودن، ویژگی مهمی است که در بخشهای زیادی از علم الکترونیک به خصوص وقتی بخواهید کنترل بیشتری بر جریان برق داشته باشید، کاربرد دارد. اریک پاپ، یکی از اساتید گروه مهندسی برق در دانشگاه استنفورد به Mental Floss گفت: «آن چه درباره نیمهرساناها جالب است این است که شما میتوانید میزان رسانایی آنها را با افزودن ناخالصی تغییر دهید». توجه داشته باید که سیلیسیم خالص، نارساناست، اما اگر آن را با مقادیر ناچیزی از عناصر خاصی مثل فسفر یا آرسنیک ترکیب کنید، در رسانایی برق بهتر عمل خواهد کرد.
عناصر دیگر مانند ژرمانیم یا آرسنید گالیم نسبت به سیلیسیم رساناهای بهتری هستند اما سیلیسیم در میان تولیدکنندگان صنعت الکترونیک (از آن جا که اکثریت این تولیدکنندگان در دهه ۷۰ میلادی در جنوب سان فرانسیکو متمرکز بودند، نام این منطقه به «درهی سیلیکون» مشهور شده) محبوبترین عنصر است. عنصری که ارزان است، به وفور یافت میشود و چون به شدت به اکسید شدن علاقهمند است، اگر در معرض هوا قرار گیرد، به راحتی میتواند لایه رسانای خود را تشکیل دهد.
پژوهشگران به دنبال جایگزینهای بهتری هستند
مهندسانی مانند پاپ برای آن که بتوانند تقاضاهایی برای تولید کامپیوترهای سریعتر را عملی کنند، به دنبال عناصر دیگری هستند تا در لوازم الکترونیکی جایگزین سیلیسیم شوند. پاپ میگوید: «سیلیسیم به عنوان یک نیمهرسانا مانند هوندا سیویک (Honda Civic: نام یک ماشین) عمل میکند؛ درست است که خوب کار میکند اما زیاد سریع نیست». با این حال پاپ معتقد است به دلیل قیمت پایین سیلیسیم، حتی اگر عنصر بهتری به کار گرفته شود، باز سیلیسیم از این صنعت به طور کامل حذف نخواهد شد.
بسیاری از ساختمانهای ما از سیلیسیم ساخته شدهاند
مواد اولیه بسیاری از مصالح معمول ساختمانسازی، حاوی سیلیسیم هستند. مواد معدنی خاک رس، که دارای سیلیسیم است، برای ساخت آجر به کار میرود و هم چنین سیمان هم که عامل اتصال آجرها به یکدیگر است، از سیلیسم ساخته شده است.
امریکاییها مقادیری از سیلیسیم را در ماه رها کردند
هنگامی که نیل آرمسترانگ و باز الدرین در سال ۱۹۶۹ به عنوان اولین انسانها به سیاره ماه پا گذاشتند، در کنار رد پاهایشان چیزهای دیگری هم روی سطح ماه به جای ماند که یکی از آنها یک دیسک کوچک سیلیسیمی شامل پیامهایی از رهبران ۷۳ کشور مختلف از افغانستان تا زامبیا بود. این دیسک داخل یک محفظه آلومینیومی قرار داده شد و در یک کیف کوچک در کنار چند چیز دیگر جای گرفت. دلیل انتخاب سیلیسیم به عنوان ماده این دیسک پیامبر این بود که این عنصر میتوانست در برابر بازههای دمایی متفاوت روی ماه دوام بیاورد.
اما با وجود تمام اینها کار دیسک کارش ناتمام ماند. چرا که الدرین به کلی فراموش کرد که کیف را روی سطح ماه قرار دهد، و این کیف کوچک تا هنگام بالا آمدن از پلههای فضاپیما در جیب او باقی ماند و در نهایت پس از یادآوری آرمسترانگ، آلدرین کیف را روی ماه پرتاب کرد.