حقائق ومعلومات عن عنصر السيليكون

حقائق ومعلومات عن عنصر السيليكون
كل ما علينا فعله تجاه هذا العنصر هو أن نشكره؛ لأنه السبب في وجود الكومبيوتر الذي نستخدمه لقراءة هذه الكلمات. يعد السيليكون – وهو عنصر شائع للغاية – عنصرًا حاسمًا في صناعة الرقائق الإلكترونية والرقائق الحاسوبية، كما أنه مسؤولٌ أيضًا عن تكوين الشواطئ الدافئة والبيضاء وتُعرف بالسيليكا أو أكسيد السيليكون وهي المكون الأكثر شيوعًا للرمل.


يعد السيليكون العنصر السابع الأكثر وفرةً في الكون وثاني أكثر العناصر وفرةً على هذا الكوكب بعد الأكسجين، وفقًا للجمعية الملكية للكيمياء. وحوالي 25% من قشرة الأرض عبارة عن سيليكون، وفضلاً عن رقائق الكمبيوتر يستخدم السيليكون في العديد من الاستخدامات في بعض المجالات الغريبة مثل كؤوس الحيض للسيدات وغرسات الثدي وقفازات الفرن وكل ذلك على مصنوع من السيليكون.






ما الذي يجعل السيليكون مميزًا بحيث يُسمى وادٍ كامل في كاليفورنيا على اسمه؟ دعونا نرى.
حقائق عن السيليكون:


العدد الذري (عدد البروتونات في النواة): 14
الرمز الذري (على الجدول الدوري للعناصر): Si
الوزن الذري (متوسط كتلة الذرة): 28.09
الكثافة: 2.3296 جرام لكل سنتيمتر مكعب
حالته في درجة حرارة الغرفة: صلب
نقطة انصهار: 2،577 درجة فهرنهايت (1،414 درجة مئوية(
نقطة الغليان: 5909 درجة فهرنهايت (3265 درجة مئوية(
عدد النظائر (ذرات نفس العنصر مع عدد مختلف من النيوترونات): 24
النظير الأكثر شيوعًا:Si-28) ) ونسبة توفره في الطبيعة 92%
السيليكون وأشباه الموصلات


في الطبيعة لا يوجد السيليكون وحيدًا، وعادةً ما يُعثَر عليه وهو مرتبط بزوجٍ من جزيئات الأكسجين مثل ثاني أكسيد السيليكون والمعروف باسم السيليكا، يتكون الكوارتز – وهو عنصر وفير في الرمال – من السيليكا غير المتبلورة.

لا يُصنف السيليكون كمعدن أو لا معدن حيث إنه شبه فِلِز – عنصر يقع في مكانٍ ما بين الاثنين – إنّ فئة أشباه الفلزات هي المنطقة الرمادية، حيث لا يوجد تعريف محدد يلائم وظيفتها، ولكنّ أشباه الفلزات تملك بوجهٍ عامٍ خصائص كل من المعادن وغير المعادن، وتبدو معدنية ولكنّ توصيلها للكهرباء يظهر فقط بشكلٍ متوسطٍ، والسيليكون هو أحد أشباه الموصلات، مما يعني أنّه يقوم بتوصيل الكهرباء، وعلى عكس المعدن النموذجي فإن السيليكون يتحسن عند توصيل الكهرباء مع زيادة درجة الحرارة، في حين تصبح المعادن أسوأ في توصيل الكهرباء عند درجات الحرارة الأعلى.






فُصِل السيليكون لأول مرةٍ في عام 1824 بواسطة الكيميائي السويدي يونس جاكوب برزيليوس، الذي اكتشف أيضًا عناصر السيريوم والسيلينيوم والثوريوم، وفقًا لمؤسسة التراث الكيميائي. سَخَن برزيليوس السيليكا مع البوتاسيوم لتنقية السيليكون، وفقاً لمرفق (Thomas Jefferson National Accelerator)، ولكنّ عملية الصقل اليوم تتم بتسخين الكربون بالسيليكا على شكل رملٍ لفصل العنصر.

يعتبر السيليكون المكون الرئيسي في إبداعات التكنولوجيا المنخفضة للغاية، بما في ذلك صناعة الطوب والسيراميك، لكنّ الأشياء ذات التقنية العالية هو ما يجعل هذا العنصر مميزًا للغاية، وكأشباه الموصلات يُستخدم السيليكون لصنع الترانزستورات التي تضّخم أو تغيِّر التيارات الكهربائية فهي ببساطة العمود الفقري للإلكترونيات من أجهزة الراديو إلى أجهزة الآيفون.

يُستخدم السيليكون بطرقٍ مختلفةٍ في الخلايا الشمسية ورقاقات الكمبيوتر على سبيل المثال، لذلك يعتبر السيليكون ما يسمى بترانزستور تأثير المجال بأكسيد المعادن وأشباه الموصلات أو (MOSFET) المفتاح الأساسي للعديد من الإلكترونيات. لتحويل السيليكون إلى ترانزستور يُطَعَم الشكل البلوري للعنصر بكمياتٍ ضئيلةٍ من العناصر الأخرى ، مثل البورون أو الفوسفور، وفقًا لمختبر لورانس ليفرمور القومي. و تترابط العناصر مع ذرات السيليكون لتحرير الإلكترونات للتحرك في جميع أنحاء المواد، وذلك وفقا لجامعة فرجينيا.

من خلال إنشاء مساحاتٍ من السيليكون النقي يمكن للمهندسين خلق فجوةٍ لا يمكن أن تتدفق فيها هذه الإلكترونات مثل التبديل في وضعية الغلق.
لتحويل المفتاح إلى وضعية التشغيل ، توضع لوحة معدنية متصلة بمصدر طاقة بالقرب من بلورات السيليكون. عندما تتدفق الكهرباء تصبح اللوحة مشحونة بشكلٍ إيجابيٍّ. وتوّجه الإلكترونات المشحونة بالشحنة السالبة إلى الشحنة الموجبة، مما يسمح لها بتجاوز شريحة السيليكون النقي. كما يمكن استخدام أشباه الموصلات الأخرى إلى جانب السيليكون في الترانزستورات.




هل تعلم؟


عندما هبط رواد الفضاء أبولو 11 على سطح القمر في عام 1969 ، تركوا وراءهم حقيبة بيضاء تحتوي على قرص سيليكون أكبر بقليل من الدولار الفضيّ وكُتِب عليه بخطٍ مجهريٍّ 73 رسالة من بلادٍ مختلفة تُعرِب عن التمنيات بالخير والسلام.

لا يعتبر (السيليكون الطبيعي – Silicon) نفس (السيليكون الصناعي – Silicone) حيث أنّ ذلك البوليمر الشهير الموجود في غرسات الثدي وكؤوس الحيض وغيرها من التقنيات الطبية. يتكون السيليكون الصناعي من السيليكون مع الأكسجين والكربون والهيدروجين. ولأنّه يقاوم الحرارة بشكلٍ جيدٍ، فقد استُخدِم السيليكون على نحوٍ متزايدٍ لصنع أدوات المطبخ، مثل قفازات الفرن وألواح الخبز.

يمكن أن يكون السيليكون خطيرًا على صحتنا؛ فعند استنشاقه لفتراتٍ طويلةٍ من الزمن، يمكن أن يسبب مرض الرئة الذي يُعرَف باسم السُحار السِيليسِيّ أو السيليكوز.
هل تحب التقزح اللوني الخاص بالعقيق أو الأحجار الكريمة؟ إذن توجه بالشكر لعنصر السيليكون، فالأحجار الكريمة هي شكل من أشكال السيليكا مرتبطة بجزيئات الماء، ويكاد يكون كربيد السيليكون (SiC) صلبًا مثل الألماس، وذلك وفقًا لمعهد المواد والمعادن والتعدين. ويصنف بمقدار 9 إلى 9.5 درجات على مقياس صلابة موس، أي أنّه أقل قليلًا من الألماس والذي لديه صلابة بمقدار 10 درجاتٍ. .

تستخدم النباتات السيليكون لتقوية جدران الخلايا، يبدو أن هذا العنصر غذائي مهم يساعد على إعطاء مقاومة للمرض، وفقًا لورقةٍ بحثيةٍ نُشرت عام 1994 في دورية (Proceedings of the National Academy of Sciences).






يُنسب اسم وادي السيليكون إلى عنصر السيليكون المستخدم في رقائق الكمبيوتر، وظهر الأسم لأول مرةٍ عام 1971 في صحيفة (Electronic News).
قد لا تكون الحياة المرتكزة على السيليكون مثل مخلوقات (Horta) في فيلم (Star trick) خيالًا علميًا تمامًا، وفقًا لباحثين من معهد (Caltik)، أظهرت الأبحاث الأولية أنّه يمكن دمج السيليكون في الجزيئات المعتمدة على الكربون مثل البروتينات.
الدراسات الحالية:


تبدو أبحاث السيليكون اليوم أقل قليلًا من الخيال العلمي: في عام 2006 أعلن الباحثون أنّهم قد أنشأوا شريحةً حاسوبيةً تمزج مكونات السيليكون مع خلايا الدماغ، ويمكن نقل الإشارات الكهربائية من خلايا المخ إلى مكونات السيليكون الإلكترونية للرقاقة، والعكس بالعكس. الأمل في النهاية هو إنشاء أجهزةٍ إلكترونيةٍ لعلاج الاضطرابات العصبية.
في دراسةٍ نُشِرت في مجلة نيتشر عام 2018 تقوم باختبار نوعٍ جديدٍ من الأجهزة الكمومية المصنوعة من السيليكون. قد تصبح أجهزة الكمبيوتر الكمومية في يوم من الأيام القاعدة، وتتفوق على تقنية الكمبيوتر الحالية مع القدرة على إجراء الحسابات بشكل متوازٍ. يمكن أن يؤدي إنشاء هذه الأجهزة باستخدام التقنيات نفسها لإنشاء رقائق السيليكون التقليدية إلى تسريع تطوير هذه الأجهزة، مما قد يفضي إلى استخداماتٍ جديدةٍ للأجهزة الكمية.

كما يعتبر السيليكون عنصرًا واعدًا في صنع أشعة الليزر الجديدة والصغيرة جدًا المسماه (nanoneedles)، والتي يمكن استخدامها لنقل البيانات بشكلٍ سريعٍ وأكثر كفاءةً من الكابلات البصرية التقليدية. يقول جون باددينج الكيميائي في جامعة بنسلفانيا إنّ أشعة الليزر فائقة التوصيل تصب الحرارة أسهل بكثير من الليزر الزجاجي، وهذا يعني أنّها يمكن أن تنتج المزيد من الطاقة أكثر من أشعة الليزر التقليدية.

يعمل باددينج وفريقه أيضًا على إنتاج الألياف الضوئية من الجيل التالي التي تدمج الموصلات الفائقة بدلًا من الزجاج البسيط.






وقال باددينج: «تحتوي أشباه الموصلات على مجموعةٍ متنوعةٍ من الخصائص التي لا يمكنك الحصول عليها باستخدام الزجاج، ويُعد وجود مواد شبه مدمجةٍ في الألياف الضوئية من شأنه أن يسمح بإدخال الإلكترونيات المصغرة في هذه الكبلات، والتي تعتبر ضرورية لإرسال المعلومات عبر مسافاتٍ طويلةٍ، كما تسمح كابلات أشباه الموصلات بمعالجة الضوء في الألياف».

تُصنع رقاقات السيليكون التقليدية عن طريق ترسيب طبقاتٍ من العنصر على سطحٍ مستوٍ، وعادةً ما تبدأ بغاز سلائف مثل غاز السيلان (SiH4) ومن ثم السماح للغاز بالتصلب، وذلك وفقا لبادنغ. ومن ناحية أخرى الكابلات تُرسم لصنع كابل ألياف بصرية زجاجية، حيث يمكنك البدء بقضيب زجاجي وقم بتسخينه واستخلصه مثل الحلوى ومن ثم إطالته إلى خيطٍ طويلٍ نحيفٍ.

وقد اكتشف باددينج وزملاؤه طريقةً للحصول على أشباه الموصلات في شكلٍ يشبه الاسباجيتي، حيث ﻳﺴﺘﺨﺪم أﻟﻴﺎف اﻟﺰﺟﺎج اﻟﻤﺴﺤﻮب ﺑﺎﻟﺜﻘﻮب اﻟﺼﻐﻴﺮة ويقوم بضغط اﻟﻐﺎزات ﻣﺜﻞ اﻟﺴﻴﻼن ﺗﺤﺖ ﺿﻐﻮطٍ ﻋﺎﻟﻴﺔٍ ﻹرﻏﺎﻣﻬﻢ ﻋﻠﻰ المرور من هذه اﻟﻔﺮاﻏﺎت.

ويقول باددينج: «سيكون الأمر مثل ملء خرطوم حديقةٍ ينتقل من ولاية بنسلفانيا إلى نيويورك بشكلٍ كاملٍ مع السيليكون، وإذا كنت تعتقد أن الأمور ستُعَرقَل وتفسد اطمئن فلن يحدث ذلك».






تكون خيوط أشباه الموصلات الناتجة من هذه العملية أنحف بمقدار ثلاثة إلى أربعة أضعافٍ سُمك شعرة الإنسان، كما يقوم باددينج وفريقه بتجريب أشباه موصلات أخرى، مثل سيلينيد الزنك (الزنك والسيلينيوم) لإنتاج أليافٍ ذات قدراتٍ لم نشاهدها من قبل.