¿Por qué la corteza terrestre es de silicatos?
El silicio tiene cuatro electrones de valencia y forma cuatro enlaces, igual que el carbono. Pero mientras el enlace carbono-carbono compite bien con el carbono-oxígeno, en el silicio no hay competencia.
El enlace silicio-oxígeno alcanza los 452 kJ/mol; el silicio-silicio se queda en 222. Cualquier compuesto de silicio en presencia de oxígeno tiende irreversiblemente a convertirse en óxido.
Como la Tierra tiene oxígeno en abundancia, el resultado era previsible: el silicio está casi todo combinado como silicato.
La unidad estructural es el tetraedro SiO₄⁴⁻, un silicio rodeado de cuatro oxígenos. Esos tetraedros se combinan compartiendo vértices, y de las distintas maneras de combinarlos salen todas las familias minerales.
Tetraedros aislados dan el olivino. Cadenas simples dan los piroxenos, cadenas dobles los anfíboles. Láminas dan las micas y las arcillas, que se exfolian precisamente porque las láminas se separan con facilidad. Una red tridimensional completa da el cuarzo y los feldespatos.
Casi toda la geología es una consecuencia de cómo se apilan estos tetraedros.
¿Qué significa ser semiconductor?
En un metal, la banda de conducción y la de valencia se solapan y los electrones se mueven libremente. En un aislante, las separa una brecha demasiado grande para que nada la cruce.
El silicio está en medio: su banda prohibida mide 1,12 electronvoltios. A temperatura ambiente, una fracción minúscula de electrones tiene energía térmica suficiente para saltarla. El silicio puro conduce muy poco, pero no es aislante.
Lo importante no es esa conductividad intrínseca sino que se puede controlar.
El dopaje consiste en sustituir un átomo de silicio entre un millón por otro elemento. Con fósforo, que tiene cinco electrones de valencia, sobra un electrón que queda casi libre: es silicio tipo n. Con boro, que tiene tres, falta uno y queda un hueco que se comporta como carga positiva móvil: tipo p.
Una unión entre una zona p y una zona n deja pasar corriente en un sentido y no en el otro. Eso es un diodo. Combinando tres zonas y controlando la del medio con un campo eléctrico se obtiene un transistor, un interruptor sin partes móviles.
Un procesador moderno contiene decenas de miles de millones de esos interruptores en unos pocos centímetros cuadrados.
¿Por qué el silicio y no otro semiconductor?
El germanio tiene mejores propiedades electrónicas puras: sus electrones se mueven más deprisa. Los primeros transistores, en 1947, fueron de germanio.
La industria migró al silicio en los años sesenta por una razón que no tiene que ver con el semiconductor sino con su óxido.
El dióxido de silicio crece sobre el propio silicio con solo calentarlo en atmósfera de oxígeno. La capa resultante es un aislante excelente, químicamente estable, adherente y de espesor controlable con precisión atómica.
Eso permite fabricar el transistor MOS, cuya puerta está separada del canal por una capa de óxido. Sin ese aislante nativo, la arquitectura no existe.
El óxido de germanio, en cambio, es soluble en agua y poco estable. La ventaja electrónica del germanio no compensaba la ausencia de un óxido utilizable.
A esto se suma que el silicio es baratísimo y que puede purificarse hasta niveles extremos. El silicio de grado electrónico tiene menos de un átomo de impureza por cada mil millones, y se obtiene por el proceso Siemens y después por crecimiento de un monocristal mediante el método Czochralski, que extrae lentamente un cilindro de cristal único de un baño fundido.
¿Podría existir vida basada en silicio?
La idea es antigua y la respuesta parece ser no, por dos razones concretas.
La primera es la catenación. La vida necesita moléculas grandes y variadas, lo que exige cadenas estables de átomos iguales. El enlace silicio-silicio, con 222 kJ/mol, es demasiado débil: las cadenas largas de silanos se descomponen con facilidad y arden espontáneamente en el aire.
La segunda es el residuo metabólico. Un metabolismo oxidativo basado en carbono produce CO₂, un gas soluble que se exhala sin esfuerzo. El equivalente en silicio sería SiO₂, un sólido con punto de fusión de 1 710 °C. Un organismo de silicio no podría deshacerse de sus residuos.
El silicio tampoco forma enlaces múltiples eficaces, porque sus orbitales p son demasiado difusos para solaparse bien de lado. Sin dobles enlaces no hay grupos carbonilo, ni aminoácidos, ni bases nitrogenadas.
⚠️ Curiosamente, la vida sí usa silicio, aunque no como esqueleto molecular. Las diatomeas construyen conchas de sílice de una complejidad geométrica notable, y su acumulación forma la tierra de diatomeas. Las plantas incorporan sílice en sus tejidos para endurecerlos: el filo de una hoja de hierba corta porque contiene partículas de sílice.
¿Qué otros usos tiene?
El grueso del silicio industrial no va a chips. La mayor parte se consume como ferrosilicio, una aleación con hierro que se añade al acero como desoxidante y para mejorar sus propiedades magnéticas. El acero eléctrico de los transformadores contiene alrededor del 3 % de silicio.
El silicio metalúrgico, con un 98-99 % de pureza, se usa también en aleaciones de aluminio para fundición, donde mejora la colabilidad.
Las siliconas son polímeros con cadena principal de silicio y oxígeno alternados, con grupos orgánicos laterales. Esa combinación les da estabilidad térmica y química con flexibilidad, y de ahí su uso en juntas, adhesivos, lubricantes, cosmética e implantes.
La fotovoltaica consume silicio de pureza intermedia entre el metalúrgico y el electrónico. Una célula solar es esencialmente una unión p-n grande: la luz genera pares electrón-hueco y el campo interno de la unión los separa antes de que se recombinen.
El vidrio, el cemento y la cerámica son todos materiales de silicato, y en conjunto mueven volúmenes muy superiores a los de la electrónica.