¿Qué es el silicio y por qué se fabrican chips de computadora con él?

Puede parecer una pregunta tonta, una que podría responderse en unas pocas palabras: el silicio es el decimocuarto elemento de la tabla periódica. Es uno de los componentes fundamentales del universo, un protón más pesado que el aluminio, un protón más ligero que el fósforo. Sin embargo, el silicio, más que casi cualquier otro elemento, aparece con demasiada frecuencia en un sitio como 2007es.com: es un componente importante en los materiales de construcción que componen su hogar, es la base de todos los procesadores de computadora actuales, y es incluso el más candidato probable para subyacer a la vida extraterrestre, no basada en carbono. ¿Qué hace que el silicio sea tan especial?

Bueno, muchas cosas.

Silicio como bloque de construcción



La principal de las características distintivas del silicio es que, simplemente, hay muchísimo. Después del oxígeno, es el segundo elemento más abundante en la corteza terrestre, pero no espere encontrarlo por ahí. El silicio casi nunca se encuentra en estado puro en la naturaleza y prácticamente siempre viene como un compuesto con otros elementos. Se encuentra más comúnmente como silicato (SiO4, O un átomo de silicio unido a cuatro átomos de oxígeno) y sílice (SiO2, o un átomo de silicio unido a dos átomos de oxígeno). La sílice, en forma rugosa y altamente contaminada, es el componente principal de la arena. El feldespato, el granito, el cuarzo y más se basan en compuestos de silicio y oxígeno.

Mezcle esto con agua y grava, y

Mezcle esto con agua y grava y obtendrá concreto.

Los compuestos de silicio tienen una amplia variedad de propiedades útiles, principalmente porque pueden unirse a otros átomos de manera muy estrecha y en arreglos complejos. Varios silicatos, como el silicato de calcio, son un componente principal del cemento Portland, el principal aglutinante en el hormigón, el mortero e incluso el estuco. Algunos materiales ricos en silicato se pueden calentar para producir cerámicas endurecidas como la porcelana, mientras que otros se fusionan para formar la principal forma de vidrio del mundo, el vidrio de cal sodada. Y el silicio también puede ser útil como un aditivo traza en otras sustancias, como el hierro fundido, que utiliza carbono y silicio para hacer que el hierro sea más resistente y menos quebradizo.

Y, sí, el silicio es también el principal componente estructural del material sintético silicona, pero no confunda los dos, si realmente fuera Silicone Valley, el mundo tecnológico es un lugar muy diferente al que vemos hoy.

Silicio como chip de computadora

Al seleccionar un elemento para usarlo como base de un transistor de computadora, la palabra clave es resistencia. Los conductores tienen baja resistencia y pasan la corriente eléctrica con mucha facilidad, mientras que los aislantes tienen (predeciblemente) alta resistencia y ralentizan o bloquean el flujo de electrones. Para un transistor, que debe poder encenderse y apagarse a voluntad, requerimos en un semi-conductor, sustancia con resistencia entre la de un conductor y la de un aislante. Los mejores semiconductores para la industria pueden tratarse con una amplia variedad de 'dopantes' para ajustar finamente su resistencia, según sea necesario.

Un cristal de silicio puro, llamado lingote.

Un cristal de silicio puro, llamado lingote.

El silicio no es la única sustancia semiconductora de la Tierra, ni siquiera es el mejor semiconductor de la Tierra. Lo que es, es, con mucho, el semiconductor más abundante de la Tierra. El silicio está disponible en todo el mundo; no es necesario importarlo de minas africanas especiales, ni realizar meses de tratamiento costoso y contaminante solo para conseguirlo. Es fácil trabajar con él y, lo que es más importante, los científicos han ideado formas fiables de convertirlo en cristales perfectamente ordenados. Estos cristales son de silicio como el diamante es de carbono.

Cultivar cristales de silicio enormes y casi perfectos es una de las habilidades principales en la fabricación moderna de chips de computadora. Luego, estos cristales se cortan en finas obleas, luego se graban, procesan y tratan en cientos de formas diferentes antes de cortarse en cubitos en el dado individual y empaquetarse en procesadores comerciales. Es posible hacer transistores superiores a partir de cosas como el carbono e incluso de materiales más exóticos como el germanio, pero ninguno de ellos permite el tipo de fabricación a granel que permite el silicio a través del gran crecimiento de cristales, al menos todavía no.

En este momento, los cristales de silicio (llamados 'lingotes') se fabrican en cilindros de 300 mm de diámetro, pero la investigación se está acercando rápidamente al umbral de 450 mm. Eso debería ayudar a mantener bajos los costos de producción y, por lo tanto, permitir que la velocidad continúe aumentando, al menos durante una década más o menos. ¿Después de esto? Es posible que finalmente no haya más remedio que abandonar el silicio por algo menos abundante y fácil de trabajar: buenas noticias para las velocidades de procesamiento, pero casi con certeza malas noticias para su billetera.

Silicio como vida extraterrestre

silicio 5

La frase 'vida basada en carbono' se usa mucho, pero ¿qué significa realmente? Significa que las moléculas estructurales centrales que componen nuestro cuerpo (proteínas, aminoácidos, ácidos nucleicos, ácidos grasos y más) están construidas sobre esqueletos de átomos de carbono. Eso es porque el carbono tiene la gran propiedad de ser 'tetravalente'. El oxígeno solo puede formar dos enlaces químicos estables a la vez (lo que conduce al agua, o H2O) y nitrógeno solo tres (lo que conduce al amoníaco o NH3), Pero el carbono puede retener de manera estable hasta cuatro átomos diferentes a la vez (lo que nos da metano, o CH4). La tetravalencia es una base poderosa para construir moléculas fuertes y geométricamente complejas, y ese dúo de virtudes químicas ha permitido la evolución de toda la vida conocida actualmente en el universo.

Star Trek

Star Trek'S Horta están supuestamente basados ​​en silicio.

Sin embargo, si sabemos cómo está organizada la tabla periódica, sabremos que los elementos de una columna vertical tienen propiedades químicas similares y, justo debajo del carbono, está el silicio. Esta es la razón por la que los autores de ciencia ficción han dedicado tanto tiempo y tinta a la idea de la vida basada en el silicio; siendo tetravalente en sí mismo, el silicio es el elemento estructural alternativo más plausible en formas de vida totalmente nuevas. El silicio también está feliz de unirse poderosamente a otros átomos de silicio (al igual que el carbono con el carbono) y, por lo tanto, puede bloquear dos veces ciertas conformaciones en su lugar. Se presume que ambos son cruciales para permitir el desarrollo de la vida.

Por supuesto, dado que el silicio es mucho más abundante en la Tierra que el carbono, tiene que haber una razón por la que somos orgánicos (basados ​​en carbono), en lugar de basados ​​en silicio, y esa razón se remonta a la Tabla Periódica. Sin entrar en demasiados detalles, los elementos que están verticalmente más abajo en la tabla periódica tienen núcleos más pesados ​​y capas de electrones más grandes; el silicio es físicamente más grande y más pesado que el carbono, lo que lo hace menos adecuado para tareas superfinas como, por ejemplo, el ADN recombinante. El silicio también es menos reactivo que el carbono, lo que significa que la vida basada en el silicio podría ser menos diversa químicamente o requerir una gama mucho más amplia de enzimas de silicio que impulsan la reacción para forzar la existencia de compuestos químicamente menos deseables.

El hecho de que toda la vida en la Tierra sea orgánica, a pesar de que los átomos de silicio del planeta superan en número a los átomos de carbono en casi mil a uno, podría ser una indicación de la probabilidad de que eso ocurra en otras partes del universo. Aquí hay muchas especies que usan silicio en un grado u otro, pero ninguna lo usa como elemento estructural del ADN. La vida basada en el silicio es ciertamente posible, pero si existe, es muy probable que nunca pueda progresar al nivel de complejidad que el carbono ha permitido aquí en casa.

Silicon y tu

El silicio seguirá apareciendo en sus noticias durante muchos años. Incluso cuando algunos ven el carbono y otros elementos que no son de silicio como la plataforma para la computación de próxima generación, que será necesaria si queremos continuar la tendencia histórica exponencial en el poder de la computación, el silicio sigue siendo la sustancia de elección en muchos campos. ¿Encontraremos formas nuevas y emocionantes de controlar su tratamiento de los electrones? Quizás. ¿Encontraremos que subyace a toda la vida en el universo, excepto a la que evolucionó en la Tierra? Probablemente no, aunque es posible. Como mínimo, no estamos ni cerca de abandonar su uso como material de construcción, ya que los compuestos de silicio son la base de la roca que constituye la gran mayoría de la corteza terrestre.

Es posible que estemos a punto de dejar atrás el silicio, pero no era menos posible hace 20 años. Con toda probabilidad, seguirá siendo una de las sustancias más importantes para el progreso del dominio humano del mundo físico.

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