Por que é que a crosta terrestre é de silicatos?
O silício tem quatro eletrões de valência e forma quatro ligações, tal como o carbono. Mas enquanto a ligação carbono-carbono compete bem com a carbono-oxigénio, no silício não há competição.
A ligação silício-oxigénio atinge os 452 kJ/mol; a silício-silício fica-se pelos 222. Qualquer composto de silício na presença de oxigénio tende irreversivelmente a converter-se em óxido.
Como a Terra tem oxigénio em abundância, o resultado era previsível: o silício está quase todo combinado como silicato.
A unidade estrutural é o tetraedro SiO₄⁴⁻, um silício rodeado de quatro oxigénios. Esses tetraedros combinam-se partilhando vértices, e das diferentes maneiras de os combinar saem todas as famílias minerais.
Tetraedros isolados dão a olivina. Cadeias simples dão as piroxenas, cadeias duplas as anfíbolas. Lamelas dão as micas e as argilas, que se exfoliam precisamente porque as lamelas se separam com facilidade. Uma rede tridimensional completa dá o quartzo e os feldspatos.
Quase toda a geologia é uma consequência de como se empilham estes tetraedros.
O que significa ser semicondutor?
Num metal, a banda de condução e a de valência sobrepõem-se e os eletrões movem-se livremente. Num isolante, separa-as uma lacuna demasiado grande para que algo a atravesse.
O silício está no meio: o seu hiato mede 1,12 eletrão-volt. À temperatura ambiente, uma fração minúscula de eletrões tem energia térmica suficiente para o saltar. O silício puro conduz muito pouco, mas não é isolante.
O importante não é essa condutividade intrínseca mas o facto de poder ser controlada.
A dopagem consiste em substituir um átomo de silício entre um milhão por outro elemento. Com fósforo, que tem cinco eletrões de valência, sobra um eletrão que fica quase livre: é silício do tipo n. Com boro, que tem três, falta um e fica uma lacuna que se comporta como carga positiva móvel: tipo p.
Uma junção entre uma zona p e uma zona n deixa passar corrente num sentido e não no outro. Isso é um díodo. Combinando três zonas e controlando a do meio com um campo elétrico obtém-se um transístor, um interruptor sem partes móveis.
Um processador moderno contém dezenas de milhares de milhões desses interruptores em poucos centímetros quadrados.
Por que o silício e não outro semicondutor?
O germânio tem melhores propriedades eletrónicas puras: os seus eletrões movem-se mais depressa. Os primeiros transístores, em 1947, foram de germânio.
A indústria migrou para o silício nos anos sessenta por uma razão que nada tem a ver com o semicondutor mas com o seu óxido.
O dióxido de silício cresce sobre o próprio silício bastando aquecê-lo em atmosfera de oxigénio. A camada resultante é um isolante excelente, quimicamente estável, aderente e de espessura controlável com precisão atómica.
Isso permite fabricar o transístor MOS, cuja porta está separada do canal por uma camada de óxido. Sem esse isolante nativo, a arquitetura não existe.
O óxido de germânio, em contrapartida, é solúvel em água e pouco estável. A vantagem eletrónica do germânio não compensava a ausência de um óxido utilizável.
A isto soma-se o facto de o silício ser baratíssimo e de poder ser purificado a níveis extremos. O silício de grau eletrónico tem menos de um átomo de impureza por cada mil milhões, e obtém-se pelo processo Siemens e depois por crescimento de um monocristal pelo método Czochralski, que extrai lentamente um cilindro de cristal único de um banho fundido.
Poderia existir vida baseada em silício?
A ideia é antiga e a resposta parece ser não, por duas razões concretas.
A primeira é a catenação. A vida precisa de moléculas grandes e variadas, o que exige cadeias estáveis de átomos iguais. A ligação silício-silício, com 222 kJ/mol, é demasiado fraca: as cadeias longas de silanos decompõem-se com facilidade e ardem espontaneamente ao ar.
A segunda é o resíduo metabólico. Um metabolismo oxidativo baseado em carbono produz CO₂, um gás solúvel que se exala sem esforço. O equivalente em silício seria SiO₂, um sólido com ponto de fusão de 1 710 °C. Um organismo de silício não conseguiria livrar-se dos seus resíduos.
O silício também não forma ligações múltiplas eficazes, porque as suas orbitais p são demasiado difusas para se sobreporem bem de lado. Sem ligações duplas não há grupos carbonilo, nem aminoácidos, nem bases azotadas.
⚠️ Curiosamente, a vida usa silício, embora não como esqueleto molecular. As diatomáceas constroem conchas de sílica de complexidade geométrica notável, e a sua acumulação forma a terra de diatomáceas. As plantas incorporam sílica nos seus tecidos para os endurecer: o gume de uma folha de erva corta porque contém partículas de sílica.
Que outros usos tem?
O grosso do silício industrial não vai para chips. A maior parte é consumida como ferro-silício, uma liga com ferro que se adiciona ao aço como desoxidante e para melhorar as suas propriedades magnéticas. O aço elétrico dos transformadores contém cerca de 3 % de silício.
O silício metalúrgico, com 98-99 % de pureza, é também usado em ligas de alumínio para fundição, onde melhora a fluidez.
Os silicones são polímeros com cadeia principal de silício e oxigénio alternados, com grupos orgânicos laterais. Essa combinação dá-lhes estabilidade térmica e química com flexibilidade, e daí o seu uso em juntas, adesivos, lubrificantes, cosmética e implantes.
A fotovoltaica consome silício de pureza intermédia entre o metalúrgico e o eletrónico. Uma célula solar é essencialmente uma junção p-n grande: a luz gera pares eletrão-lacuna e o campo interno da junção separa-os antes de se recombinarem.
O vidro, o cimento e a cerâmica são todos materiais de silicato, e no conjunto movem volumes muito superiores aos da eletrónica.