لماذا القشرة الأرضية سيليكاتية؟
للسيليكون أربعة إلكترونات تكافؤ ويكوّن أربع روابط، كالكربون. لكن بينما تنافس رابطة كربون-كربون رابطة كربون-أكسجين منافسة حسنة، فلا منافسة في السيليكون.
فرابطة سيليكون-أكسجين تبلغ 452 كيلوجول/مول؛ ورابطة سيليكون-سيليكون تقف عند 222. فأي مركّب سيليكون بوجود الأكسجين ينزع نزوعًا لا رجعة فيه إلى التحول إلى سيليكا.
ولمّا كان للأرض أكسجين وفير كانت النتيجة متوقعة: فالسيليكون كله تقريبًا مرتبط كسيليكات.
والوحدة البنيوية هي الرباعي السطوح SiO₄⁴⁻، سيليكون يحيط به أربعة أكسجينات. وتتركب تلك الرباعيات بتقاسم الرؤوس، ومن مختلف طرق تركيبها تنشأ عائلات المعادن كلها.
فالرباعيات المنفردة تعطي الأوليفين. والسلاسل المفردة تعطي البيروكسينات، والمزدوجة الأمفيبولات. والصفائح تعطي الميكا والطين، اللذين يتورّقان بالضبط لأن الصفائح تنفصل بسهولة. والشبكة الثلاثية الأبعاد الكاملة تعطي الكوارتز والفلسبار.
والجيولوجيا كلها تقريبًا نتيجة لكيفية تراص هذه الرباعيات.
ماذا يعني أن يكون شبه موصل؟
في الفلز تتداخل حزمة التوصيل وحزمة التكافؤ وتتحرك الإلكترونات بحرية. وفي العازل تفصلهما فجوة أكبر من أن يعبرها شيء.
والسيليكون في الوسط: فجوة نطاقه 1.12 إلكترون فولت. وعند حرارة الغرفة تملك نسبة ضئيلة جدًّا من الإلكترونات طاقة حرارية تكفي لقفزها. فالسيليكون النقي يوصل قليلًا جدًّا، لكنه ليس عازلًا.
والمهم ليس تلك الموصلية الذاتية بل إمكان ضبطها.
والتطعيم هو استبدال ذرة سيليكون من كل مليون بعنصر آخر. فمع الفسفور، وله خمسة إلكترونات تكافؤ، يفيض إلكترون يبقى شبه حر: وذلك سيليكون من النمط n. ومع البورون، وله ثلاثة، ينقص واحد ويبقى ثقب يسلك سلوك شحنة موجبة متحركة: النمط p.
ووصلة بين منطقة p ومنطقة n تمرّر التيار في اتجاه دون الآخر. وذلك ثنائي. وبتركيب ثلاث مناطق وضبط الوسطى بحقل كهربائي يُستحصل ترانزستور، وهو مفتاح بلا أجزاء متحركة.
ويحوي المعالج الحديث عشرات المليارات من تلك المفاتيح في بضعة سنتيمترات مربعة.
لماذا السيليكون لا شبه موصل آخر؟
للجرمانيوم خصائص إلكترونية صرفة أفضل: فإلكتروناته تتحرك أسرع. وكانت أول الترانزستورات، عام 1947، من جرمانيوم.
وانتقلت الصناعة إلى السيليكون في الستينيات لسبب لا علاقة له بشبه الموصل بل بأكسيده.
فثاني أكسيد السيليكون ينمو على السيليكون نفسه بمجرد تسخينه في جو من الأكسجين. والطبقة الناتجة عازل ممتاز، مستقر كيميائيًّا، لاصق، وسمكه قابل للضبط بدقة ذرية.
وذلك يتيح صنع ترانزستور MOS، الذي تفصل بوابته عن القناة طبقة أكسيد. وبلا ذلك العازل الأصلي لا وجود لتلك البنية.
أما أكسيد الجرمانيوم فذائب في الماء وقليل الاستقرار. ولم تكن الميزة الإلكترونية للجرمانيوم تعوّض غياب أكسيد قابل للاستعمال.
ويُضاف إلى ذلك أن السيليكون بالغ الرخص ويمكن تنقيته إلى مستويات قصوى. فسيليكون الدرجة الإلكترونية فيه أقلّ من ذرة شائبة لكل مليار، ويُستحصل بعملية سيمنز ثم بإنماء بلورة مفردة بطريقة تشوكرالسكي، التي تسحب ببطء أسطوانة من بلورة واحدة من حمّام منصهر.
هل يمكن أن تقوم حياة على السيليكون؟
الفكرة قديمة والجواب فيما يبدو لا، لسببين محددين.
الأول التسلسل. فالحياة تحتاج إلى جزيئات كبيرة ومتنوعة، وهذا يقتضي سلاسل مستقرة من ذرات متماثلة. ورابطة سيليكون-سيليكون، 222 كيلوجول/مول، أضعف من أن تكفي: فسلاسل السيلانات الطويلة تتفكك بسهولة وتشتعل تلقائيًّا في الهواء.
والثاني الفضلة الأيضية. فأيض تأكسدي قائم على الكربون ينتج CO₂، وهو غاز ذائب يُزفر بلا عناء. ونظيره في السيليكون SiO₂، وهو صلب تبلغ نقطة انصهاره 1710 °م. فكائن السيليكون لن يستطيع التخلص من فضلاته.
والسيليكون أيضًا لا يكوّن روابط متعددة فعّالة، لأن مداراته p أوسع انتشارًا من أن تتداخل جانبيًّا تداخلًا جيدًا. وبلا روابط ثنائية لا مجموعات كربونيل ولا أحماض أمينية ولا قواعد نيتروجينية.
⚠️ والطريف أن الحياة تستعمل السيليكون فعلًا، وإن لم يكن هيكلًا جزيئيًّا. فالدياتومات تبني أصدافًا من سيليكا بتعقيد هندسي لافت، وتراكمها يكوّن تراب الدياتومات. والنباتات تُدخل السيليكا في أنسجتها لتقسيتها: فحافة ورقة عشب تجرح لأنها تحوي حبيبات سيليكا.
ما استعمالاته الأخرى؟
معظم السيليكون الصناعي لا يذهب إلى الرقائق. فأكثره يُستهلك حديد سيليكون، وهو سبيكة مع الحديد تُضاف إلى الفولاذ منزوعةً للأكسجين ولتحسين خصائصه المغناطيسية. ويحوي الفولاذ الكهربائي في المحوّلات نحو 3 % سيليكون.
والسيليكون المعدني، بنقاء 98-99 %، يُستعمل أيضًا في سبائك الألومنيوم للصبّ، حيث يحسّن السيولة.
والسيليكونات اللدنة بوليمرات سلسلتها الرئيسية سيليكون وأكسجين متعاقبان، بمجموعات عضوية جانبية. ويمنحها ذلك المزيج استقرارًا حراريًّا وكيميائيًّا مع مرونة، ومن هنا استعمالها في الحشوات واللواصق والمزلقات ومستحضرات التجميل والزرعات.
والكهروضوئية تستعمل سيليكونًا بنقاء بين المعدني والإلكتروني. فالخلية الشمسية في جوهرها وصلة p-n كبيرة: يولّد الضوء أزواج إلكترون-ثقب ويفصلها الحقل الداخلي للوصلة قبل أن تتحد ثانية.
والزجاج والإسمنت والخزف كلها مواد سيليكاتية، وأحجامها مجتمعةً تفوق الإلكترونيات بكثير.