Кремний — один из самых важных элементов нашего времени. Он стал неотъемлемой частью мощных интегральных схем и лазеров с плазменным усилением. На протяжении истории этот хрупкий, похожий на металл твёрдый элемент находил множество необычных применений, и даже до его официального открытия в 1824 году (по некоторым данным — в 1823-м). Как восьмой по распространённости элемент во Вселенной, кремний составляет значительную часть мира, в котором мы живём.
Сегодня мы сталкиваемся с кремнием почти на каждом шагу. Мы можем любоваться сверкающим драгоценным камнем или использовать герметик в ванной. Мы ещё не полностью понимаем все возможности кремния. Тем не менее, его удивительные свойства позволяют предположить, что он останется в центре технологических открытий и в будущем.
В конце концов, как однажды сказал Билл Гейтс: «Невежество всегда будет существовать, а невежество порождает страх. Но со временем люди примут своих кремниевых хозяев».
Полупроводники и микропроцессоры
Полупроводники изменили наш современный мир. Каждый раз, когда мы используем бытовую технику, выходим в интернет или смотрим на свой смартфон, мы полагаемся на полупроводники для выполнения этих функций. Даже то устройство, с которого вы читаете этот текст, использует сложные полупроводники в микропроцессоре и транзисторах, чаще всего изготовленных из кремния.
Существует несколько важных атомных свойств, которые делают кремний необходимым для передовых вычислительных технологий. Не случайно технологический центр США в долине Санта-Клара называют «Кремниевой долиной». Там расположено множество успешных компаний и молодых стартапов — например, Intel, Apple, и Uber. Все они зависят от кремниевых чипов и микропроцессоров.
Благодаря уникальной электронной структуре атомов, чистый кристалл кремния отлично изолирует электричество. Только очень слабый ток может проходить через него. Однако если добавить к кремнию немного другого элемента, его свойства меняются. Кремний превращается из изолятора в полупроводник, то есть начинает частично проводить ток. Этот процесс называется легированием.
Простейший пример полупроводника — диод. Это элемент, который пропускает электричество только в одном направлении и блокирует в обратном. Диоды часто встречаются, например, в радиоприборах и клапанах. Транзисторы в микропроцессорах — более сложная версия трёхконтактного диода.
Кремний давно стал основой цифровой эпохи. Но и этим его возможности не ограничиваются: современные исследования пытаются превратить привычный элемент в материал будущего — сверхпроводник, который откроет новые возможности для технологий и энергетики.
Жвачка для рук
Во время Второй мировой войны резина стала настоящим дефицитом. Союзники очень нуждались в этом материале для изготовления противогазов, обуви и шин для грузовиков. После захвата Японией Индонезии в 1942 году доступ к резине был полностью отрезан. Требовалось срочно найти замену.
Учёные спешили создать искусственный аналог. Американский химик Эрл Уоррик (в будущем — изобретатель силиконовой резины) случайно получил странное вещество, смешав силиконовое масло и борную кислоту. В это же время инженер Джеймс Райт из General Electric открыл тот же состав независимо.
Получившееся вещество не годилось как замена резине. Оно оказалось неньютоновской жидкостью — если ударить его сильно, оно становится твёрдым, а если мять медленно — растекается как жидкость. Похожими свойствами обладают также крахмальный кисель, краски и кетчуп.
Несмотря на популярность «жвачки для рук», сами изобретатели почти ничего не заработали. Производственные права выкупил предприниматель Питер Ходжсон и получил миллионы. Эрл Уоррик, хотя и запатентовал продукт, получил всего один доллар.
Рост растений
Кремний — второй по распространённости элемент в земной коре, уступает только кислороду. В нашей почве его всегда много, и многие растения с широкими листьями, а также злаки, способны впитывать кремний в свои ткани. В отличие от фосфора или азота, кремний не нужен растениям для выживания. Но, как показывают исследования, он приносит им определённую пользу.
Особенно заметен положительный эффект кремния при стрессовых условиях. Например, растения становятся более устойчивыми к засухе и могут дольше обходиться без воды, не увядая. Кроме того, у риса и пшеницы кремний делает стебли прочнее. Без кремния они ослабевают и легко повреждаются при плохой погоде. Иногда кремний помогает растениям лучше противостоять грибковым заболеваниям.
Однако важно помнить, что всё хорошо в меру. Если кремния слишком много, это может навредить цветам подсолнечника и некоторым видам ромашки.
Терракотовая армия
Связь между терракотовой армией и квантовой физикой гораздо теснее, чем может показаться. Их объединяет особый синтетический пигмент — так называемый «ханьский пурпур», который состоит из силикатов меди и бария.
Хотя этот пигмент перестали использовать примерно в 220 году н.э., в эпоху династии Чжоу он был очень популярен. Остатки его до сих пор находят на терракотовых статуях в мавзолее Цинь Шихуанди.
На очень низких температурах «ханьский пурпур» ведёт себя необычно. Как объясняют физики из Стэнфордского университета, магнитные волны, проходя через этот материал, теряют одно из измерений. То есть «ханьский пурпур» превращает трёхмерное пространство в двумерное. Некоторые учёные считают, что изучение этого вещества может помочь в разработке квантовых компьютеров.
Возможно, древние китайцы получили этот сложный пигмент случайно, как побочный продукт при изготовлении стекла.
Медицинский силикон
Помимо чистого кремния, существует множество веществ на его основе. Кремний в природе — твёрдый и хрупкий, похожий на металл. Но если соединить его с углеродом, водородом и кислородом, можно получить гибкую резину — силикон.
Силиконовая резина очень универсальна и устойчива к температурам и химикатам. Поэтому её широко используют в промышленности с 1960-х годов. Силикон стал популярен у производителей аэрокосмической, электротехнической и промышленной продукции. В медицине силикон используют для изготовления слуховых аппаратов, дренажных трубок и катетеров с баллоном.
Силикон также хорошо известен как материал для пластической хирургии, в частности — для увеличения груди. В таких операциях в грудь вставляют импланты, наполненные силиконовым гелем, чтобы придать ей нужную форму и объём. Существуют и импланты с физиологическим раствором, однако силиконовые изделия реже сдуваются и морщатся. По отзывам, они часто кажутся более естественными на ощупь. Забавно, что вещество, применяемое как герметик для самолётов, стало ключевым материалом в косметологии.
Диатомовые водоросли
Диатомеи — это целое семейство водорослей, которые обитают в пресных и морских водах по всему миру. Они получили известность благодаря своим необычным биологическим свойствам. Каждая диатомовая клетка заключена в специальную кремниевую оболочку — фрустулу, сделанную из того же диоксида кремния, что и опалы. Благодаря красивым узорам на своих панцирях диатомеи известны как «драгоценности моря».
Фрустула состоит не из одной сплошной оболочки, а из двух половинок разного размера: большей эпитеки и меньшей гипотеки. При размножении эти половинки расходятся, и каждая образует новую фрустулу — как правило, чуть меньшую по размеру, чем исходная.
С каждым делением диатомеи постепенно уменьшаются. Иногда их размеры могут сократиться на 60% всего за несколько месяцев. Чтобы не исчезнуть совсем, они периодически образуют споры, которые возвращают им изначальные размеры.
Связь с инопланетянами
Когда в июле 1969 года миссия «Аполлон-11» высадилась на Луну, астронавты оставили там не только флаг США и памятную табличку, но и маленький кремниевый диск размером с монету в 50 центов. На этом диске выгравированы 73 уникальных послания от лидеров разных стран. Среди них — Ричард Никсон, папа Павел VI, королева Елизавета II, Хайле Селассие I и Пьер Трюдо, отец нынешнего премьер-министра Канады.
Чтобы все послания для инопланетян уместились, надписи пришлось уменьшить в 200 раз. В итоге они стали мельче, чем булавочная головка. Также на диске есть имена известных американских лидеров и надпись: «Послания доброй воли со всего мира, доставленные на Луну астронавтами “Аполлона-11”».
Температура на Луне колеблется от +121C до –173C, поэтому материал диска должен выдерживать такие крайности. Текст нанесли с помощью технологии, которую используют при создании интегральных схем.
Самый круглый объект в мире
В Австралийском центре оптической точности в Сиднее находится самый круглый объект на планете. Этот шар отшлифован с поразительной точностью. Если бы его увеличить до размеров Земли, разница между самой высокой и самой низкой точкой составила бы всего 14 метров. На одни только исходные материалы ушло почти миллион евро. Причём этот шар сделан из чистого кремния.
Инженеры проекта Авогадро создали идеальный шар для уточнения эталонной единицы массы. С 1889 года килограмм определяли с помощью специального цилиндра из платины и иридия, хранящегося в Париже. Этот объект получил неофициальное прозвище «Большой К».
Однако за 130 лет масса «Большого К» неоднократно менялась, и учёные не могут объяснить причины этих изменений. Поэтому понадобился новый стандарт массы. Кремниевый шар рассматривали как вариант замены, но в итоге выбрали другой способ. С 20 мая 2019 года килограмм определяют с помощью сложного прибора, называемого ватт-весами.
Опалы
Опал, любимый многими известными историческими личностями, сияет благодаря богатому кислородом соединению — диоксиду кремния. Камни состоят из крошечных аморфных шариков кремния, плотно собранных вместе.
Эти шарики способны преломлять проходящий свет. Это явление называют опалесценцией, оно создаёт радужный перелив. Конкретные цвета и длины волн зависят от внутренней структуры камня.
Опалы из-за своей красоты всегда были в почёте и у власти имущих. Например, римский сенатор Ноний был сослан после отказа продать опал Марку Антонию. Королева Виктория и её дочери часто носили опалы и дарили их молодожёнам. Около 1800 года Наполеон подарил Жозефине ярко-красный опал, который называли «Пожар Трои» из-за его насыщенного цвета.
Римский философ Плиний Старший восхищался опалами:
«В них — более мягкое пламя, чем у рубина, блеск аметиста, морская зелень изумруда — всё это сияет вместе в невероятном сочетании. Некоторые по блеску не уступают краскам художников, другие напоминают пламя серы или масло, разожжённое огнём».
Дизайн для жизни?
Возможно ли существование жизни на основе кремния? Это вопрос, который часто встречается в научной фантастике. Но можно ли представить, что такие формы жизни действительно реальны?
Все живые организмы на Земле построены на основе углерода. Углерод идеально подходит для жизни: его много, он входит в состав множества сложных молекул, и у каждого атома углерода четыре электрона на внешней оболочке. Те же самые свойства характерны и для кремния.
Тем не менее, между этими элементами есть важные отличия. Молекулярные цепи из кремния гораздо менее стабильны, чем у углерода. Кроме того, химия кремния и кислорода такова, что обычное дыхание, как у земных существ, практически невозможно.
Поэтому маловероятно, что на Земле могла бы развиться жизнь на основе кремния. Но не стоит полностью исключать такую возможность. Кто знает, может быть, где-то в далёких уголках Вселенной есть существа из кремния? Пока это остаётся загадкой.
