Кремний, с недавних пор один из самых важных элементов, жизненно важный компонент мощных интегральных схем и плазмостимулированных лазеров. На протяжении всей истории это хрупкое, похожее на металл твердое вещество использовалось со многими целями, еще даже до его открытия в 1824 году (в некоторых источниках указывается 1823 год). Будучи восьмым по массе самым распространенным элементом во Вселенной, он составляет значительную часть мира, в котором мы живем.
Сегодня мы взаимодействуем с кремнием во многих областях нашей жизни, рассматривая его то как сверкающий драгоценный камень, то как герметик для наших ванных комнат. В настоящее время мы, возможно, не понимаем его полного потенциала, но диапазон замечательных свойств, которыми обладает кремний, означает, что он, вероятно, будет на переднем крае любых технологических достижений. В конце концов, как однажды сказал Билл Гейтс: «Всегда будет невежество, а невежество ведет к страху. Но со временем люди начнут принимать своих кремниевых хозяев».
10. Полупроводники и микропроцессоры
Полупроводники произвели революцию в современном мире. Каждый раз, когда мы используем электронное устройство, просматриваем веб-страницы или смотрим в наши смартфоны, мы полагаемся на полупроводники для выполнения какой-либо функции. Устройство, на котором вы сейчас читаете эту статью, содержит в своем микропроцессоре сложные полупроводники и транзисторы, скорее всего, из кремния. Есть несколько важных атомных свойств, которые делают кремний жизненно важным материалом для вычислительных устройств.
Не случайно долина Санта-Клара (Santa Clara Valley) – передовой центр технологий в США, получила название «Силиконовой долины». Огромное количество прибыльных компаний и начинающих стартапов, включая Intel, Apple, Facebook и Uber, зависят от кремниевых чипов и микропроцессоров.
Благодаря внутренней атомной структуре, чистые кристаллы кремния являются сильными диэлектриками. Через них может протекать очень малое количество тока. Однако при добавлении в смесь малых доз другого элемента, кремний меняет свойства с диэлектрика на частичный проводник тока — полупроводник.
Этот процесс известен как допирование. Простейшим примером полупроводника является диод, компонент, найденный в цепях, который проводит электричество в одном направлении и блокирует его в другом. Обычно их используют для изготовления таких устройств, как клапаны или радио. Полупроводниковые транзисторы, обнаруженные в микропроцессорах, являются более сложной формой трехстороннего диода.
9. Выращивание растений
Кремний является вторым по распространенности элементом в земной коре. Кислород стоит на первом месте. В нашей почве много кремния, и ряд широколиственных растений и трав поглощают его. В отличие от минералов, таких как фосфор и азот, кремний не является необходимым элементом для жизни растений. Однако по причинам, которые ученые пытаются определить, было замечено, что он создает преимущества для некоторых растений. Кремний оказывает положительное влияние, когда растения сталкиваются со стрессом. Поглощая кремний, растение становится более устойчивым к засухе и может дольше обходится без воды, не увядая.
Кроме того, в рисе и пшенице кремний может улучшить прочность стебля. Без него эти культуры становятся слабыми, и могут быть повреждены из-за погодных условий. В некоторых случаях было обнаружено, что растение становится более устойчивыми к атакам грибков. Тем не менее, кремний полезен только в умеренных количествах. Повышенный уровень кремния в подсолнухах и некоторых видах маргариток приводил к повреждению цветов.
8. Медицинский силикон
Кроме чистого кремния есть вещества на его основе. Находясь не в своей природной форме, кремний приобретает ряд полезных свойств. В натуральном виде это твердое и хрупкое вещество, которое ведет себя подобно металлу. Смешанный с углеродом, водородом, и кислородом, элемент можно преобразовать в очень пластичную и гибкую силиконовую резину.
Получивший широкое применение, благодаря стойкости к температуре и химикатам, этот материал стал использоваться для решения широкого спектра задач. С 1960-х годов силиконовая резина широко применяется в космической промышленности, для создания электрических устройств и в других промышленных целях. Она также нашла применение в медицине, включая слуховые аппараты, дренажные трубки и катетеры-баллоны.
Кроме того, силикон стал очень важным материалом в вопросе увеличения груди. Имплантаты, заполненные силиконовым гелем, вставляются в грудь, чтобы улучшить ее форму и размер. Есть также имплантаты с соляным наполнителем. Однако силиконовые более прочные и выглядят более естественно. Странно думать, что вещество, используемое в качестве герметика для самолетов также является ключевым компонентом в косметической хирургии.
7. Общение с инопланетянами
Когда в июле 1969 года миссия Аполлон 11 приземлилась на Луне, астронавты оставили там флаг США, памятную табличку и маленький кремниевый диск размером в пятьдесят центов. На этом диске выгравированы 73 послания, каждое от лидеров разных стран. Среди имен, тех, чьи послания есть на диске: Ричард Никсон, Папа Павел VI, королева Елизавета II, Хайле Селассие I (Haile Selassie I) и Пьер Трюдо (Pierre Trudeau), отец нынешнего премьер-министра Канады.
Чтобы они поместились на диск, записи пришлось уменьшить в 200 раз. Также на диске есть имена нескольких исторических лидеров США и надпись вверху, которая гласит: «Послания доброй воли со всего мира, доставленные на Луну астронавтами «Аполлон-11». Температура на Луне может колебаться в пределах между 121 градусом Цельсия и -173 градусами Цельсия, поэтому материал, из которого состоит диск, должен быть способен выдерживать крайние температуры. Записи выгравировали на диске с помощью технологии, используемой для построения интегральных схем.
6. Неньютоновская жидкость
Во время Второй мировой войны каучука стало не хватать. Этот материал был очень важным для сил союзников, которые изготавливали из него противогазы, ботинки и автомобильные шины. Тактическое вторжение Японии в Индонезию в 1942 году полностью остановило поставки каучука. Нужно было срочно что-то предпринять, или потерпеть поражение.
Ученые стали искать искусственный заменитель. В процессе поисков, американский химик Эрл Уоррик (Earl Warrick) (который позже занимался изобретением силиконовой резины) наткнулся на странное вещество после того, как смешал силиконовое масло и борную кислоту. В другой части страны Джеймс Райт (James Wright), инженер General Electric, сделал такое же открытие независимо от Уоррика.
Полученное ими вещество не стало подходящей альтернативой каучуку. Вместо этого они создали неньютоновскую жидкость. При ударе большой силы эта жидкость ведет себя как твердое тело. Если обращаться с ней осторожно, она сочится и течет, как жидкость. Аналогичное поведение можно наблюдать у заварного крема, краски и кетчупа. К сожалению, несмотря на то, что новинка стала пользоваться огромным успехом, никто на ней особо не заработал. Права на производство приобрел бизнесмен Питер Ходжсон (Peter Hodgson), заработавший впоследствии миллионы, в то время как Уоррик, запатентовавший изобретение, получил всего доллар.
5. Опалы
Популярный среди некоторых больших исторических лидеров, яркий опал ослепляет, благодаря богатому кислородом кремнию. Эти камни формируются из мельчайших некристаллических частиц кремния, которые плотно соединяются вместе. Частицы обладают замечательной способностью преломлять проходящий свет, это явление называется «опалесценцией», оно и придает опалам их уникальное радужное мерцание. Цвета и диапазон преломленных световых волн зависят от внутренней структуры кремния.
Удивительный внешний вид сделал опалы одними из самых желанных драгоценных камней на протяжении всей истории и обеспечил им несколько важных ценителей. Римского сенатора Нония отправили в изгнание после того, как он отказался продать ценный опал Марку Антонию. Королева Виктория и ее дочери часто надевали опалы и дарили их своим друзьям-новобрачным. На рубеже XIX века Наполеон Бонапарт подарил своей жене Жозефине эффектный малиновый опал, прозванный «Троянской войной» за выраженный огненный оттенок.
Римский философ Плиний Старший считал, что опалы превосходят все другие драгоценные камни: «Их огонь более мягкий, чем у рубинов, в них есть блестящий пурпур аметиста и морская зелень изумруда, и все это сияет в невероятном союзе. Одни своим великолепием соперничают с красками художников, другие — с пламенем горящей серы или огня, куда подлили масло».
4. Терракотовая армия
Терракотовая армия и квантовая физика гораздо более тесно связаны, чем можно себе представить. Два эти, казалось бы, несопоставимых объекта, связывает синтетический пигмент, известный как Ханский пурпурный — это древняя окраска, сделанная из силиката бариевой меди. Хотя его использование прекратилось около 220 года н. э., яркий пигмент был особенно популярным во времена династии Чжоу в Китае. Некоторые его следы можно найти в терракотовых фигурках на месте упокоения Цинь Ши Хуаня.
При очень низких температурах этот краситель ведет себя удивительным образом. Как объяснили физики из Стэнфордского университета (Stanford University), любые магнитные волны, проходящие через него, лишаются одного из своих измерений. Фактически, краситель преобразует трехмерное в двумерное. Некоторые исследователи считают, что исследования данного вещества могут быть полезными для разработки квантовых компьютеров. Каким образом древняя китайская династия получила доступ к такому сложному веществу? Теоретически, оно могло получиться случайно, как побочный продукт при изготовлении стекла.
3. Диатомеи
Термин «диатомеи» относится к широкому семейству водорослей, заключенных в оболочку на основе кремния, которые живут в водах по всему миру. Эти одноклеточные организмы оказались в центре многочисленных исследований благодаря своему удивительному строению. Каждая клетка заключена в специальный «панцирь» — фрустулу, состоящий из кремния, из которого также состоят опалы. Поэтому эти организмы получили заслуженное название «драгоценностей моря».
Фрустула не цельное образование. Вместо этого она состоит из двух перекрывающихся половин разного размера: большей эпитеки и меньшей гипотеки. Когда диатомея размножается, эти две половинки распадаются. Отделенные половинки формируют новые фрустулы, которые меньше по размеру, чем первоначальная. Со временем, по мере деления и размножения, диатомовые водоросли становятся все меньше и меньше. Известно, что в течение нескольких месяцев некоторые из них уменьшаются в размере на 60 процентов. Чтобы предотвратить исчезновение вида, диатомовые водоросли производят споры роста, которые восстанавливают их первоначальный размер.
2. Самый круглый объект в мире
В Австралийском центре точной оптики (Australian Centre for Precision Optics) в Сиднее находится самый круглый объект в мире. Эта сфера создана с уникальной точностью. Если бы она была размером с Землю, разница между самой низкой «долиной» и самым высоким «пиком» составляла бы всего 14 метров. Только материал для сферы обошелся в один миллион евро. И она сделана из чистого кремния.
Инженеры из проекта Avogadro создали супер-гладкую сферу, чтобы помочь в определении базовой единицы измерения. С 1889 года килограмм определялся маленьким цилиндром из платины и иридия, запертым в хранилище, расположенном глубоко под Парижем. Этот объект официально известен как Международный прототип килограмма, получивший также название «большой К».
Однако по причинам, с которыми не могут согласиться эксперты, за последние 130 лет масса большого К менялась, и поэтому эталон нужно заменить более надежной альтернативой. Кремниевая сфера стала одним из предложенных «преемников». Однако ее отвергли в пользу другого эквивалента. Вместо этого с 20 мая 2019 года килограмм будет представлен сложным инструментом, известным как ватт-балланс.
1. Основа для жизни?
Жизнь на основе кремния. Это всего лишь миф из воображаемого мира научной фантастики, или реальная возможность? Вся жизнь, какой мы ее знаем, базируется на углероде. Свойства этого вещества делают его идеальным строительным материалом для земной жизни: его в изобилии, он является важным элементом для множества сложных молекул, и у каждого атома углерода на внешней орбите четыре электрона. Все эти свойства присущи и кремнию.
Тем не менее, между двумя этими элементами есть важные различия. Длинные молекулярные цепи, образованные кремнием, гораздо менее стабильны, чем их углеродные аналоги, а химическая связь между кремнием и кислородом предполагает, что традиционное дыхание было бы почти невозможно. Из-за внутренних свойств атомов маловероятно, что жизнь на основе кремния может процветать на Земле. Но нам не следует полностью исключать такую возможность. Могут ли кремниевые существа обитать в каком-нибудь отдаленном уголке космоса? Пока это остается загадкой.
