به نظر می رسد این یک سوال احمقانه باشد ، سوالی که فقط با چند کلمه کوتاه می توان به آن پاسخ داد: سیلیکون چهاردهمین عنصر در جدول تناوبی است. این یکی از ترکیبات اساسی جهان است ، یکی پروتون از آلومینیوم سنگین تر ، و یک پروتون سبک تر از فسفر. با این وجود سیلیکون ، بیش از هر عنصر دیگری ، اغلب در سایتی مانند ExtremeTech وجود دارد – این یک جز a اصلی در مصالح ساختمانی است که خانه شما را تشکیل می دهد ، اساس تمام پردازنده های رایانه ای فعلی است و حتی بیشترین است کاندیدای احتمالی زمینه ساز زندگی بیگانه و غیر کربنی است. دقیقاً چه چیزی سیلیکون را بسیار خاص می کند؟
خوب ، خیلی چیزها.
سیلیکون به عنوان بلوک سازنده
از مهمترین ویژگیهای متمایز کننده سیلیکون این است که ، خیلی ساده ، بسیاری از آنها جهنم دارند. بعد از اکسیژن ، این دومین عنصر فراوان در پوسته زمین است – اما انتظار نداشته باشید که فقط در اطراف آن قرار داشته باشد. سیلیکون تقریباً هرگز در طبیعت به حالت خالص یافت نمی شود و تقریباً همیشه به صورت ترکیبی با عناصر دیگر همراه است. آن را معمولا به عنوان یک سیلیکات ها (SiO یافت ۴ ، و یا یک اتم سیلیکون ملزم به چهار اتم اکسیژن) و سیلیس (SiO در ۲ ، و یا یک اتم سیلیکون ملزم به دو اتم اکسیژن).
سیلیس ، به صورت خشن و بسیار آلوده ، جز component اصلی شن و ماسه است. فلدسپات ، گرانیت ، کوارتز و سایر موارد بر اساس ترکیبات اکسیژن سیلیکون ساخته شده اند.ترکیبات سیلیکون دارای طیف گسترده ای از خواص مفید هستند ، بیشتر به این دلیل که می توانند اتمهای دیگر را بسیار محکم و با آرایشهای پیچیده متصل کنند. سیلیکاتهای مختلف ، مانند سیلیکات کلسیم ، جز primary اصلی سیمان پرتلند ، چسب اصلی در بتن ، ملات و حتی گچ هستند.
برخی از مواد غنی از سیلیکات را می توان برای تولید سرامیک های سخت مانند پرسلن گرم کرد ، در حالی که برخی دیگر با هم ترکیب می شوند و شکل اولیه شیشه ، شیشه آهک سودا را تشکیل می دهند. سیلیکون همچنین می تواند به عنوان یک افزودنی کمیاب در مواد دیگر مانند چدن که هم از کربن و هم از سیلیسیم استفاده می کند ، آهن را مقاوم تر و شکننده تر کند ، مفید باشد.و ، بله ، سیلیکون همچنین جز component اصلی ساختار سیلیکون مصنوعی است ، اما این دو را اشتباه نگیرید – اگر واقعاً دره سیلیکون بود ، دنیای فناوری مکانی بسیار متفاوت از آنچه امروز می بینیم است.
سیلیکون به عنوان تراشه رایانه
هنگام انتخاب عنصری که به عنوان پایه ترانزیستور کامپیوتر استفاده شود ، کلمه اصلی مقاومت است. مقاومت رساناها کم است و جریان الکتریکی را به راحتی عبور می دهند ، در حالی که مقره ها (به طور قابل پیش بینی) مقاومت زیادی دارند و جریان الکترون را کند یا مسدود می کنند. برای یک ترانزیستور که باید به میل خود روشن و خاموش شود ، ما به یک نیمه هادی نیاز داریم ، ماده ای با مقاومت بین هادی و عایق. بهترین نیمه هادی های صنعت را می توان با طیف گسترده ای از “dopants” درمان کرد تا در صورت لزوم مقاومت آنها را به خوبی تنظیم کند.
سیلیکون تنها ماده نیمه هادی روی زمین نیست – حتی بهترین نیمه هادی نیمه زمین نیست. آنچه که هست ، تا حد زیادی فراوان ترین نیمه هادی روی زمین است. سیلیکون به راحتی در سراسر جهان در دسترس است. نیازی نیست که آن را از معادن خاص آفریقا وارد کنید ، یا ماهها درمان گران و آلوده را صرفاً برای تهیه مقداری انجام دهید. کار با آن آسان است و از همه مهمتر ، دانشمندان روش های قابل اعتمادی برای رشد آن به بلورهای کاملاً مرتب ارائه داده اند. این بلورها به سیلیسیم مانند الماس به کربن تبدیل می شوند.
رشد بلورهای عظیم و تقریباً کامل سیلیکون یکی از مهارت های اصلی در تولید تراشه های رایانه ای مدرن است. سپس این کریستال ها به صورت ویفرهای نازک برش داده می شوند ، سپس حک می شوند ، فرآوری می شوند و به صدها روش مختلف قبل از اینکه در قالب فرد خرد شوند و در پردازنده های تجاری بسته بندی شوند ، آنها را پردازش می کنند. ساخت ترانزیستورهای برتر از مواردی مانند کربن و حتی مواد عجیب و غریب تر مانند ژرمانیوم امکان پذیر است ، اما هیچ یک از آنها اجازه نمی دهد که نوع سیلیکون تولید فله از طریق رشد کریستال بزرگ امکان پذیر باشد – حداقل ، هنوز نه.
در حال حاضر ، بلورهای سیلیکون (به اصطلاح “شمش”) در استوانه هایی با قطر ۳۰۰ میلی متر ساخته می شوند ، اما تحقیقات در حال نزدیک شدن به آستانه ۴۵۰ میلی متر است. این باید به کاهش هزینه های تولید کمک کند و در نتیجه سرعت حداقل تا یک دهه دیگر ادامه یابد. بعد از آن؟ سرانجام ممکن است چاره ای جز کنار گذاشتن سیلیکون برای کارهایی نباشد که بسیار کم کار و آسان باشد – خبر خوب برای سرعت پردازش ، اما مطمئناً خبر بدی برای کیف پول شما.
سیلیکون به عنوان زندگی بیگانه
عبارت “زندگی مبتنی بر کربن” بسیار مورد توجه قرار می گیرد ، اما واقعاً چه معنایی دارد؟ این بدان معنی است که مولکولهای اصلی ساختاری که بدن ما را تشکیل می دهند (پروتئین ها ، اسیدهای آمینه ، اسیدهای نوکلئیک ، اسیدهای چرب و غیره) بر روی اسکلت های اتم های کربن ساخته شده اند. دلیل آن این است که کربن خاصیت بزرگ “چهار ظرفیتی” بودن دارد.
اکسیژن تنها می تواند دو پیوند شیمیایی پایدار شکل در یک بار (در نتیجه منجر به آب، یا H 2 O) و نیتروژن تنها سه (به این ترتیب به آمونیاک یا NH منجر ۳ )، اما کربن پایدار می توانید بر روی نگه دارید به چهار اتم مختلف در یک بار (به این ترتیب ما به متان یا CH 4) Tetravalency یک مبنای قدرتمند برای ساختن مولکول هایی است که هم از نظر هندسی قوی و هم از نظر هندسی پیچیده هستند و این دو ویژگی از فضایل شیمیایی امکان تکامل تمام حیات فعلی جهان را فراهم کرده است.
با این حال ، اگر بدانیم جدول تناوبی چگونه سازمان یافته است ، می دانیم که عناصر موجود در یک ستون عمودی دارای خواص شیمیایی مشابه هستند – و درست زیر کربن ، سیلیکون است. به همین دلیل است که نویسندگان داستان های علمی وقت و جوهر زیادی را صرف ایده زندگی مبتنی بر سیلیکون کرده اند. سیلیکون که خود چهار ظرفیتی است ، قابل قبول ترین عنصر ساختاری متناوب در اشکال کاملاً جدید زندگی است.
سیلیکون همچنین خوشحال است که با قدرت به دیگر اتمهای سیلیکون پیوند می بخشد (دقیقاً مانند کربن به کربن) و بنابراین می تواند برخی از ترکیبات را در جای خود قفل کند. فرض بر این است که هر دو برای اجازه دادن به توسعه زندگی بسیار مهم هستند.البته ، با توجه به اینکه سیلیسیم بسیار زیادتر از کربن در زمین است ، باید دلیل بر این باشد که ما ارگانیک هستیم (مبتنی بر کربن) ، نه سیلیکون – و این دلیل به جدول تناوبی بازمی گردد. بدون جزئیات زیاد ، عناصری که به طور عمودی در جدول تناوبی پایین هستند ، هسته های سنگین تر و پوسته های الکترونی بزرگتری دارند.
سیلیکون از نظر جسمی بزرگتر و سنگین تر از کربن است ، و باعث می شود برای کارهای فوق العاده خوبی مانند DNA نوترکیب مناسب نباشد. سیلیکون همچنین واکنش کمتری نسبت به کربن دارد ، به این معنی که زندگی مبتنی بر سیلیکون می تواند از نظر شیمیایی تنوع کمتری داشته باشد یا به یک مجموعه وسیع تری از آنزیم های سیلیکون واکنش دهنده نیاز دارد تا ترکیبات شیمیایی کمتر مطلوب را به وجود بیاورد.
این واقعیت که تمام حیات روی زمین ارگانیک است ، علیرغم اینکه اتمهای سیلیسیم سیاره تقریباً از هزار اتم کربن بیشتر از اتمهای کربن است ، می تواند نشانه ای از احتمال وقوع آن در سایر نقاط جهان باشد. در اینجا گونه های زیادی وجود دارد که تا حدی از سیلیسیم استفاده می کنند ، اما هیچ یک از آنها به عنوان عنصر ساختاری DNA استفاده نمی کنند. زندگی مبتنی بر سیلیکون مطمئناً امکان پذیر است ، اما اگر وجود داشته باشد احتمال زیادی وجود دارد که هرگز نتواند به سطح پیچیدگی کربن در خانه اجازه دهد.
سیلیکون و شما
سیلیکون قرار است سال های زیادی در اخبار شما ظاهر شود. حتی همانطور که برخی به دنبال کربن و سایر عناصر غیر سیلیکونی به عنوان بستر محاسبات نسل بعدی هستند ، اگر این امر بخواهد روند تاریخی نمایی قدرت محاسبات را ادامه دهیم ، ضروری خواهد بود ، سیلیکون ماده انتخابی در بسیاری از زمینه ها است. آیا روش های جدید و مهیجی برای کنترل رفتار آن با الکترون پیدا خواهیم کرد؟ شاید. آیا خواهیم فهمید که این امر اساس همه زندگی در جهان است ، به جز آنچه در زمین تکامل یافته است؟ احتمالاً نه ، گرچه ممکن است. حداقل ، ما تقریباً جایی را ترک نمی کنیم که استفاده از آن را به عنوان منبع ساختمانی کنار بگذاریم ، زیرا ترکیبات سیلیکون اساس سنگی است که اکثریت قشر پوسته زمین را تشکیل می دهد.
این احتمال وجود دارد که ما در شرف ترک سیلیکون هستیم – اما ۲۰ سال پیش این امکان کمتر نبود. به احتمال زیاد ، این ماده همچنان یکی از مهمترین مواد پیشرفت تسلط انسان بر جهان فیزیکی خواهد بود.