[ تعرٌف على ] سيليكون

تم النشر اليوم 12-12-2025 | [ تعرٌف على ] سيليكون
تم النشر اليوم [dadate] | سيليكون

هوامش

.

النظائر

طالع أيضًا: نظائر السيليكون يتكوّن السيليكون المتوفّر طبيعياً من 3 نظائر مستقرة ألا وهي سيليكون-28 28Si (وفرة طبيعية 92.23%)، وسيليكون-29 29Si (وفرة طبيعية 4.67%)، وسيليكون-30 30Si (وفرة طبيعية 3.10%). ومن بين هذه النظائر، فإنّ السيليكون-29 29Si هو ما يستخدم في الرنين النووي المغناطيسي والرنين المغناطيسي الإلكتروني؛ لأنّه الوحيد الذي لديه مغزل نووي (I = 1/2). تُنتَج هذه النظائر الثلاثة جميعها في المستعرات الأعظمية من النوع Ia؛ وذلك من خلال عملية احتراق الأكسجين؛ كما يُنتَج النظير 28Si في عملية ألفا، ولذلك فهو الأكثر وفرة. تُعرَف عملية اندماج نوى السيليكون-28 28Si مع جسيمات ألفا أثناء عمليات إعادة الترتيب المرافقة للانحلال الضوئي في النجوم باسم «عملية احتراق السيليكون»، وهي المرحلة الأخيرة في تفاعلات الانصهار النجمي قبل الانهيار السريع والانفجار السريع لتلك النجوم لتصبح مستعرات أعظمية من النوع 2. هناك عشرون نظيراً مشعّاً للسيليكون، وأكثرها استقراراً هو السيليكون-32 32Si، ويبلغ عمر النصف له 153 سنة؛ والسيليكون-31 31Si، والذي يبلغ عمر النصف له 157.3 دقيقة. إنّ جميع النظائر المشعّة المتبقيّة لا يتجاوز لها عمر النصف السبع ثوان، ومعظم أعمار النصف تلك أقلّ من عُشر الثانية. يوجد هناك مصاوغ نووي وحيد للسيليكون (34mSi)، ويبلغ عمر النصف له أقل من 210 نانوثانية. يخضع النظير 32Si لاضمحلال بيتا ضعيف الشدّة إلى فوسفور-32 32P، ومنه إلى النظير المستقرّ كبريت-32 32S. يمكن أن ينتج النظير سيليكون-31 31Si من التنشيط النيوتروني للسيليكون الطبيعي، وهذا ما يجعله مفيداً في مجال التحليل الكمي، إذ يمكن الكشف عنه بسهولة من اضمحلال بيتّا النمطي إلى النظير فوسفور-31 31P، ويحمل الإلكترون المنبعث طاقة مقدارها 1.48 ميغا إلكترون فولت. يتراوح متوسط عدد الكتلة لنظائر السيليكون بين 22 إلى 44؛ ونمط الاضمحلال المشترك للنظائر التي أعداد كتلتها أقلّ من السيليكون-28 هو نمط β+، مشكّلاً في المقام الأول نظائر الألومنيوم (13 بروتون) كنواتج اضمحلال. أمّا نمط التحلّل الأكثر شيوعًا للنظائر التي أعداد كتلتها أكبر من السيليكون-30 فهو β−، وفيه تتشكّل في المقام الأول نظائر الفوسفور (15 بروتون) كنواتج اضمحلال. يمكن للسيليكون أن يصل إلى المحيطات عبر المياه الجوفية والنقل النهري. تتوفر الواردات الضخمة من المياه الجوفية على تركيب نظائري مميّز عن واردات النقل النهري؛ ويساهم ذلك التباين النظائري بين المياه الجوفية ومياه النقل البحري في حدوث اختلاف في قيم النظير سيليكون-30 30Si، وذلك يستخدم كمقياس للنشاط الجيولوجي في المحيطات.

المخاطر

يمكن التعرّض للسيليكون العنصري في أماكن العمل، حيث يمثّل خطراً في حال استنشاق غباره؛[126] كما يعدّ مهيّجاً في حال ابتلاعه أو تماسّه مع الجلد أو العين. وضعت إدارة السلامة والصحّة المهنية الأمريكية [ملاحظة 54] حدّ التعرّض المسموح من السيليكون في أماكن العمل في يوم عمل مكوّن من ثمان ساعات بمقدار 15 مغ/م3 في حال التعرّض الإجمالي، وبمقدار 5 مغ/م3 في حال التعرّض التنفّسي. أمّا المعهد الوطني للسلامة والصحّة المهنية الأمريكي [ملاحظة 55] فوضع حدّ التعرّض الموصى به من السيليكون في أماكن العمل في يوم عمل مكوّن من ثمان ساعات بمقدار 10 مغ/م3 في حال التعرّض الإجمالي، وبمقدار 5 مغ/م3 في حال التعرّض التنفسّي.[127] قد يؤدّي استنشاق غبار بلّورات السيليكا إلى السحار السيليسي، وهو مرض من أمراض الرئة المهنية.[128]

الاستخدامات

إنّ الاستخدام الأكبر والأهمّ للسيليكون النقيّ هو دخوله في صناعة أشباه الموصلات وعناصرها ومكوّناتها المختلفة. أمّا أغلب السيليكون المستخدَم صناعياً فهو إمّا على شكل غير نقي أو على شكل مركّباته الكيميائية واسعة الانتشار مثل السيليكات أو السيليكا، والتي تجد تطبيقات مباشرة لها، خاصّةً في مجال مواد البناء والإنشاءات المختلفة، مثل الأسمنت البورتلاندي والملاط والخزف والزخارف الجصية وزجاج الصودا والجير، وكذلك الخرسانة والطوب الحراري؛ بالإضافة إلى الألياف الزجاجية والصوف الزجاجي.[108] الصناعات الإلكترونية معالج دقيق مصفوف ضوئي جهدي تتطلّب الصناعات الإلكترونية أن يكون السيليكون ذا نقاوة مرتقعة جدّاً، وأن يكون السيليكون على هيئة بلّورة أحادية مفردة، والنقطة الأخيرة يمكن تحقيقها بواسطة عملية تشوخرالسكي، والتي يمكن من خلالها الحصول على رقائق سيليكون، والتي تستهلك في صناعة أشباه الموصلات وفي الصناعات الإلكترونية، وكذلك في تطبيقات الألواح الضوئية المختلفة.[109] يتّسم السيليكون النقي بأنّه شبه موصل ذاتي، ممّا يعني أنه وعلى العكس من الفلزّات قادر على نقل التيّار بواسطة الثغرات الإلكترونية والإلكترونات المتحرّرة من الذرّات بواسطة الحرارة، لذلك تزداد موصليته الكهربائية بازدياد درجة الحرارة. كما أنّ للسيليكون النقي من جهةٍ أخرى مقاومية كهربائية مرتفعة كي يستخدم مكوّناً في الدارات الكهربائية، لذلك فإنّه عادةً ما يشاب بتراكيز صغيرة من عناصر كيميائية معيّنة، ممّا يزيد من الموصلية الكهربائية، وتسهّل من التحكّم بعدد ونوع حاملات الشحنة الكهربائية. يعدّ هذا التحكّم ضرورياً في صناعة الترانزستورات والخلايا الشمسية ومكاشيف وعناصر أشباه الموصلات المستخدمة في الصناعات الإلكترونية.[110] يستفاد أيضاً من الخواص البصرية للسيليكون النقيّ في مجال أبحاث الليزر.[111] تُستخدَم رقاقات من بلّورات السيليكون الأحادية في الدارات المتكاملة الشائعة، والتي تكون معزولة عن بعضها البعض بسبب وجود طبقة رقيقة عازلة من ثنائي أكسيد السيليكون، والتي تضاف إمّا بأسلوب الأكسدة الحرارية، أو بالأكسدة الموضعية للسيليكون [ملاحظة 48]. ما يجعل السيليكون ملائماً للصناعات الإلكترونية هو مقاومته لدرجات الحرارة المرتفعة، والفعالية الكهربائية الكبيرة من دون حدوث انهيار انهماري، وهو انهيار إلكتروني يحدث بسبب ارتفاع الحرارة، التي تسبب ازدياد عدد الإلكترونات والثغرات الإلكترونية، ممّا يؤدّي إلى ازدياد كمّيّة التيّار، ممّا يزيد من الحرارة، وهكذا دواليك. بالإضافة إلى ذلك، فإنّ طبقة الأكسيد العازلة تلك هي غير منحلّة في الماء، ممّا يمنح السيليكون أفضلية على الجرمانيوم في صناعة الإلكترونيات.[112][ar 5] إنّ عملية تصنيع بلّورات السيليكون الأحادية مرتفعة الثمن، وهي غالباً ما تستخدم من أجل إنتاج الدارات المتكاملة؛ أمّا من أجل التطبيقات الإلكترونية الأخرى التي لا تتطلّب أن يكون السيليكون ذا نقاوة مرتفعة جدّاً فيمكن استخدام أنواع أخرى من السيليكون النقي، والتي تتضمّن نوعًا من أنواع السيليكون اللابلوري المهدرج [ملاحظة 49]، وكذلك السيليكون ذو النقاوة التعدينية المحسنة [ملاحظة 50]، وذلك في مجال تصنيع بكرة-إلى-بكرة [ملاحظة 51] المستخدم للتطبيقات منخفضة التكلفة مثل صناعة شاشات العرض البلّوري السائل والخلايا الشمسية. يزداد نموّ سوق السيليكون منخفض النقاوة بشكل أكبر من بلّورات السيليكون الأحادية مرتفعة النقاوة، فوفق إحصاءات سنة 2013، كان من المتوقّع أن يصل إنتاج السيليكون متعدّد التبلور المستخدم في صناعة الخلايا الشمسية إلى قرابة 200 ألف طنّ سنوياً، في حين أنّ بلّورات السيليكون الأحادية كان من المتوقع لها أن تصل إلى أقلّ من 50 ألف طنّ سنوياً.[113] النقاط الكمومية يستحصل على النقاط الكمومية من السيليكون من خلال عملية المعالجة الحرارية لمركّب هيدروجين سيلسيسكيوكسان [ملاحظة 52] ممّا يحولّه إلى بلّورات نانوية يتراوح أبعادها من عدة نانومترات إلى عدّة ميكرونات، وهي تبدي خواصاً ضيائية معتمدة على حجم الجسيمات.[114][115] تظهر البلورات النانوية انزياحات ستوكس كبيرة، محوّلةً الفوتونات في مجال فوق البنفسجي إلى فوتونات في المجال المرئي أو تحت الأحمر ممّا يمكّن من استخدامها في أجهزة عرض النقط الكمومية والمركّزات الشمسية الضيائية. ما يجعل السيليكون مفضّلاً على الكادميوم أو الإنديوم في مجال النقط الكمومية هو عدم سمّيّته ولطبيعته اللافلزية.[116][117][118] تُستخدَم النقط الكمومية من السيليكون أيضاً في مجال التحسّس للمواد الكيميائية الخطرة؛ إذ تتحسّس النقط الكمومية عبر حدوث استخماد لتألّقها عند وجود تلك المواد.[119][120] يحدث الكشف بعدّة أساليب مثل انتقالات الإلكترون البينية وانتقال الطاقة برنين فورستر والتيّارات الضوئية.[121][122] السبائك يُضاف السيليكون على هيئة فروسيليكون إلى مصهور الحديد الصبّ؛ ويستهلك هذا التطبيق قرابة 80% من الإنتاج العالمي للسيليكون. يساعد السيليكون على تحسين الأداء في صبّ المقاطع الرقيقة، ويعمل على منع تشكّل السمنتيت؛ كما يعمل على التقاط الأكسجين مما يُسهل التحكّمبالمحتوى الكربوني؛ كما يعدّ مكوّناً أساسياً في الفولاذ الكهربائي محسّناً من خواصه المقاومية والمغناطيسية الحديدية. يضاف السيليكون ذو النقاوة التعدينية من أجل تحضير سبائك مع عناصر أخرى مثل الألومنيوم في سبيكة سيلومين، المستخدمة بشكل واسع في صناعة المركبات، وذلك نظراً لخواصّها الميكانيكية المميّزة.[113][123] البوليميرات السيليكونية بنية متعدد ثنائي ميثيل السيلوكسان، المكوّن الرئيسي في البوليميرات السيليكونية يمكن أن تعدّ السيليكونات مناظرةً للسيليكات، لأنَّ مجموعات الميثيل في السيليكونات متساوية إلكترونياً مع مجموعات −O في السيليكات. تتميّز البوليميرات السيليكونية بثباتيتها الحرارية، وبمقاومتها للأكسدة، كما أنّها عازلة تجاه الماء، ولها العديد من الخواص المفيدة الأخرى، مثل العزل الكهربائي وعدم الالتصاق وعدم تشكيل رغوة؛ كما أنّها مقاومة للأشعّة فوق البنفسجية وللتآكل، بالإضافة إلى خمولها الكيميائي. تستخدم البوليميرات السيليكونية في تصنيع المواد المقاومة للماء، وفي عمليات الصبّ والقولبة، وفي صناعة مانعات التسرب وشحوم وشموع التزليق، وفي سد الشقوق (الجلفطة). تستخدم السيليكونات في بعض الأحيان في مجال زرع الثدي والعدسات اللاصقة وفي صناعة المتفجّرات والتقانة النارية.[124] يمكن أن يُحضّر المعجون السيليكوني [ملاحظة 53] بإضافة حمض البوريك إلى زيت السيليكون.[125]

التاريخ

نظراً لوفرة مركّبات السيليكون الطبيعية في القشرة الأرضية فقد استُخدَم السيليكون منذ التاريخ القديم على شكل رمل وسيليكات في العديد من تطبيقات الحياة اليومية. فقد كان المرو (الكوارتز) معروفاً للعديد من الحضارات القديمة مثل حضارتي مصر والصين القديمَتين، وكذلك حضارة الفينيقيين، عندما استخدم في صناعة الأواني والحلي، وكذلك الزجاج. كما استخدمت السيليكات المختلفة منذ القدم في تحضير الملاط أثناء إنشاء المساكن البشرية الأولى. الاكتشاف وأصل التسمية اكتشف يونس ياكوب بيرسيليوس عنصر السيليكون سنة 1823. خمّن أنطوان لافوازييه سنة 1787 أنّ السيليكا قد تكون أكسيداً لعنصر كيميائي أساسي؛ إلّا أنّ الألفة الكيميائية المرتفعة للسيليكون تجاه الأكسجين مرتفعة بشكل كبير، فلم يتمكّن بواسطة الوسائل المتاحة لديه آنذاك من اختزال الأكسيد وعزل هذا العنصر على شكله الحرّ. ثمّ توالت المحاولات بهدف الحصول عليه، ومنها محاولة همفري ديفي سنة 1808، والتي قام حينها باقتراح تسمية «سيليسيوم silicium» لهذا العنصر، وذلك من الكلمة اللاتينية «silicis» بمعنى حجر الصوان، مع إضافة اللاحقة «إيوم ium-» للاسم، إذ اعتقد أنّه من الفلزّات. لا تزال هذه التسمية معتمدة كاسم للعنصر في بعض اللغات، مثل الألمانية «Silizium» والتركية «silisyum» والكتالونية «silici». أمّا في بعض اللغات الأخرى فتُستخدَم ترجمة اقتراضية للجذر اللاتيني للإشارة إلى حجر الصوان، كما في الروسية والفنلندية والتشيكية. أمّا تسمية «سيليكون» فقد اقترحها الكيميائي الإسكتلندي توماس تومسون سنة 1817؛ فحافظ على الأصل اللغوي الذي استخدمه ديفي في تسميته، ولكنه أضاف اللاحقة «أون on-»، لاعتقاده أنّ السيليكون هو من اللافلزات، على غرار البورون والكربون. يُعتَقد أنّ السيليكون اللابلّوري كان قد حُضّر من قبل لوي جوزيف غي ـ لوساك ولوي جاك تينار سنة 1811، وذلك من خلال تسخين فلز البوتاسيوم مع رباعي فلوريد السيليكون؛ لكنّهما لم يقوما بتنقية الناتج أو وصفه بدقّة أو بتمييزه على أنّه عنصر كيميائي جديد. تمكّن يونس ياكوب بيرسيليوس من تحضير السيليكون اللابلّوري سنة 1823، وذلك باستخدام طريقة شبيهة تقريباً بالطريقة التي اتّبعها غي-لوساك، وذلك باختزال سداسي فلوروسيليكات البوتاسيوم بمصهور البوتاسيوم، ولكنّه قام بالتنقية بإعادة غسل الناتج لعدّة مرّات؛ ولذلك فإنّ الفضل في اكتشاف هذا العنصر يُنسَب إليه. وفي السنة ذاتها تمكّن بيرسيليوس من تحضير رباعي كلوريد السيليكون؛ في حين أنّ مركّب رباعي فلوريد السيليكون كان معروفاً ومُحَضّراً من ذي قبل، إذ تمكّن كارل فلهلم شيله من إنجاز ذلك سنة 1771 حين قام بحلّ السيليكا في حمض الهيدروفلوريك. لم يُحضَّر الشكل البلّوري من السيليكون إلّا بعد مضي 31 سنة، حين تمكّن هنري إتيان سانت كلير ديفيل من فعل ذلك أثناء تجاربه لتحضير الألومنيوم؛ وذلك بالتحليل الكهربائي لمزيج من كلوريد الصوديوم وكلوريد الألومنيوم المُشوّب بقرابة 10% من السيليكون، فحصل على شكل بلّوري غير نقي من السيليكون قرابة سنة 1854. طُوّرت لاحقاً طرق أكثر اقتصادية من أجل عزل متآصلات هذا العنصر؛ كما استمرّت الأبحاث في كيمياء السيليكون، فاكتشف فريدرش فولر مركّبات هيدريد السيليكون المتطايرة، واصطنع ثلاثي كلورو السيلان سنة 1857، ثمّ مركّب السيلان سنة 1858. كما قام شارل فريدل وجيمس كرافتس سنة 1863 بتحضير أوّل مركّب سيليكون عضوي، وهو رباعي إيثيل السيلان. في أوائل القرن العشرين تمكّن العلماء من إجراء دراسات أوسع على مركّبات السيليكون لمعرفة خواصها، فكرّس ألفرد شتوك أبحاثه لدراسة مركّبات السيلانات؛ في حين تخصّص فريدريك كيبنغ بدراسة مركّبات السيليكون العضوية. ساهم التطوّر في مختلف مناحي العلوم في زيادة فهم كيمياء السيليكون، فنجح وليام لورنس براغ بفضل أعماله على دراسة البلّورات بالأشعّة السينية في شرح بنية السيليكات؛ كما ساعد لينوس باولنغ في تقدّم كيمياء البلّورات، وفيكتور غولدشميت في تطوير مفاهيم الجيوكيمياء. شهد أواسط القرن العشرين تطوّر المعارف الصناعية فيما يخصّ السيلوكسانات والبوليميرات السيليكونية المرنة. في أواخر القرن العشرين جرى التمكّن من فهم البنية البلّورية للسيليسيدات، بالإضافة إلى فهم المبدأ الفيزيائي عند إشابة أشباه الموصلات. أشباه الموصلات السيليكونية لم يتضمّن أوّل جهاز شبه موصل عنصر السيليكون؛ لأنّه كان مصنوعاً من الغالينا (زرنيخيد الرصاص)، بما في ذلك المكشاف البلّوري الذي اخترعه كارل فرديناند براون سنة 1874، والآخر الذي اخترعه جاجاديش تشاندرا بوس سنة 1901. أمّا أوّل جهاز شبه موصل مصنوع من السيليكون فكان من اختراع غرينليف ويتتير بيكارد سنة 1906. في سنة 1940 اكتشف راسل أُول وصلة الموجب والسالب [ملاحظة 2] والتأثير الضوئي الجهدي في السيليكون؛ وفي سنة 1941 جرى تطوير التقنيات لإنتاج بلّورات أحادية مفردة من السيليكون والجرمانيوم لأغراض عسكرية أثناء الحرب العالمية الثانية. في سنة 1947 قادت أبحاث وليام شوكلي وجون باردين ووالتر براتين إلى تصنيع أوّل ترانزستور، والذي كان يعمل على مبدأ التلامس النقطي؛ ممّا أدّى إلى حصولهم على جائزة نوبل في الفيزياء؛ لكنّه كان مصنوعاً من الجرمانيوم. لاحقاً وفي سنة 1954 تمكّن موريس تاننباوم [ملاحظة 3] من تصنيع أوّل ترانزستور ثنائي القطب من السيليكون في مختبرات بل. في سنة 1955 وفي مختبرات بل أيضاً اكتشف كلّ من كارل فروش ولينوكلن ديريك [ملاحظة 4]، أنّه يمكن لثنائي أكسيد السيليكون أن ينمو على السيليكون؛ ثمّ اقترحا لاحقاً أنّه يمكن بذلك حجب أسطح السيليكون أثناء عمليّات الانتشار الجزيئي. ؛ في السنوات الأولى في صناعة أشباه الموصلات وحتى نهايات خمسينيات القرن العشرين كان الجرمانيوم هو العنصر السائد في تركيب الترانزستورات وأجهزة أشباه الموصلات الأخرى؛ وذلك نظراً للاعتقاد أنّ أداء الجرمانيوم أفضل من غيره بسبب قدرته على إظهار خواص أفضل فيما يتعلّق بحركية الإلكترون. لم يكن أداء الترانزستورات المصنوعة من السيليكون مرضياً في البدايات بسبب محدودية الموصلية الكهربائية، وذلك نظراً لعدم استقرار الحالات السطحية الإلكترونية كمومياً، إذ أن الإلكترونات كانت تحتجز بسبب الروابط المتدلية الناشئة عند السطح. رقاقة سيليكون حدثت قفزة نوعية في صناعة أشباه الموصلات السيليكونية عندما تمكّن المهندس محمد عطا الله من تطوير عملية التخميل السطحي بواسطة الأكسدة الحرارية في مختبرات بل في أواخر خمسينيات القرن العشرين، عندما اكتشف أنّ تشكيل طبقة من أكسيد السيليكون على سطح السيليكون حرارياً قلّل بشكل كبير من تركيز السويات الإلكترونية عليه، ممّا أدّى إلى زيادة الاستقرار الإلكتروني لأسطح السيليكون. نشر عطا الله نتائج أبحاثه بين سنتي 1957 و1958؛ وكان لذلك تأثير كبير على صناعة أشباه الموصلات السيليكونية، فقد تفوّق السيليكون بذلك على الجرمانيوم؛ ، ومهّد الطريق لحدوث ثورة السيليكون؛ ولقد تمثّل ذلك لاحقاً في اختراعه لترانزستور موسفت[ملاحظة 5] مع زميله داون كانغ سنة 1959؛ بالإضافة إلى فتح الباب إلى حدوث تطور في صناعة أشباه الموصلات السيليكونية مثل التقنية السطحية التي طوّرها جان هورني في شركة فيرتشايلد لأشباه الموصلات [ملاحظة 6] سنة 1958؛ وكذلك لاختراع الدارة المتكاملة من قبل روبرت نويس سنة 1959. تطوّر الأمر لاحقاً لاعتماد شكل موحّد في إدماج رقائق السيليكون في تصنيع عناصر أشباه الموصلات في الدارات المتكاملة. العصر السيليكوني يشير مصطلح «العصر السيليكوني» (أو عصر السيليكون) إلى الفترة الزمنية أواخر القرن العشرين وأوائل القرن الحادي والعشرين؛ وذلك نظراً لكون السيليكون العنصر المهيمن والسائد في عصر المعلومات، وذلك بشكل مشابه لتسميات عصور اقترنت بالمواد السائدة حينها، مثل العصر الحجري والعصر البرونزي والعصر الحديدي في نظام العصور الثلاث الموافق. أدّى اختراع الموسفت إلى إطلاق شرارة الثورة الرقمية وثورة المعلومات؛ كما مكّن صغر حجمه من زيادة الإنتاج بشكل أسي، ودخول الترانزستور في مختلف مناحي الحياة اليومية. كما ازداد عدد الشركات المختصّة في تقنيات أشباه الموصلات بشكل كبير، فأُطلِقَت تسميات حاوية على لفظ السيليكون للإشارة إلى تجمّعها، وأشهر مثال على ذلك هو وادي السيليكون في ولاية كاليفورنيا الأمريكية.

الدور الحيوي

جدار خلوي مغلّف بالسيليكا لكائن دياتومي. على الرغم من توفّر السيليكات بشكلٍ كبير في القشرة الأرضية، إلّا أنّ هناك عددٌ قليلٌ نسبياً من الكائنات الحيّة القادرة على استخدامه والاستفادة منه حيوياً. من بين هذه الاستثناءات تندرج كلّ من كائنات الدياتوم [ملاحظة 40] والشعوعيات [ملاحظة 41] وكذلك نوع خاصّ من الإسفنجيات السيليسية [ملاحظة 42] والتي تستخدم «السيليكا ذات الأصل الحيوي» [ملاحظة 43] كدعامات بنيوية لهياكلها. وُجدَ أيضاً أنّ إضافة الأورثوسيليكات إلى علف العجول يزيد من نسبة الكولاجين في جلدها وغضاريفها. عند النباتات في خلايا النباتات الأكثر تقدّماً فتوجد جسيمات سيليكا النبات [ملاحظة 44]، وهي جسيمات مجهرية صلبة، والتي تكون ضرورية للنمو في بعض النباتات مثل الأرز. كما وجد أنّ السيليكون يحسّن من متانة الجدار الخلوي ومن الخواص الدعامية الهيكلية في بعض النباتات الأخرى. تدرس الجمعية الأمريكية لموظفي مراقبة غذاء النبات [ملاحظة 45] إدراج السيليكون ضمن المواد المفيدة للنباتات. عند الكائنات البحرية تستخدم كائنات الدياتوم السيليكونَ ذا الأصل الحيوي؛ والذي يُمتصّ بواسطة «بروتين نقل السيليكون» [ملاحظة 46] من أجل استخدامه بشكل أساسي في دعم هياكل الجدار الخلوي على هيئة محارات دياتومية. يدخل السيليكون إلى المحيطات بشكل منحلّ على هيئة حمض السيليسيك أو سيليكات. تعدّ الدياتومات من المستهلكين الرئيسيّين لهذا النوع من السيليكون، وتساهم بشكل كبير في التأثير على تركيز السيليكون في المحيطات، ويعدّ السيليكون بذلك شكلاً من أشكال المغذّيات، فيزيد بذلك أعداد الكائنات الدياتومية في المستويات العليا الضحلة، وذلك يؤثّر بالنهاية على تركيز السيليكون في المستويات الأعمق في المحيطات.[100] تدعى ظاهرة حركة السيليكون بين المستويات متفاوتة العمق في المحيطات باسم «الثلج البحري» [ملاحظة 47]؛ وهي تتضمّن الانتقال السفلي للدقائق المعلقة من المواد العضوية مع مزيج المواد العضوية المنحلّة.[101] بالتالي فإنّ هذه الظاهرة تؤثّر في النهاية على تركيز المغذّيات في المستويات العميقة في المحيطات.[102] تعدّ الكائنات الدياتومية من العوالق النباتية في المناطق الساحلية، وهي تساهم في إنتاج السيليكون ذي الأصل الحيوي؛ أمّا في المحيطات المفتوحة، فإنّ للدياتومات دورٌ أقلّ في إنتاج السيليكا. من جهةٍ أخرى، تساهم الدياتومات في الدوّامات المحيطية في شمالي المحيطين الأطلسي والهادي بنسبة 5-7% من الإنتاج السنوي العالمي للسيليكا؛ أمّا الأقسام الجنوبية من المحيطات فهي تعطي قرابة ثلث الإنتاج السنوي العالمي من السيليكا ذات الأصل الحيوي؛ وذلك التباين يظهر الانقسام في الحركة الجيوكيميائية الحيوية بين القسمين الشمالي والجنوبي لتلك المحيطات.[103] عند البشر هناك بعض الدلائل التي تشير إلى أنّ السيليكون قد يكون ضرورياً لصحّة الأظافر والشعر والعظام وأنسجة الجلد عند الإنسان؛[ar 4][104] فعلى سبيل المثال، فقد أظهرت بعض الدراسات أنّ النساء في مرحلة ما قبل انقطاع الطمث اللواتي لديهنّ حمية غذائية مرتفعة المحتوى من السيليكون يكون لديهنّ كثافة عظام أكبر، وأن المكمّلات الغذائية الحاوية على السيليكون يمكن أن تزيد من حجم العظام وكثافتها في المرضى الذين يعانون من هشاشة العظام.[105] يُحتاج إلى السيليكون من أجل اصطناع الإيلاستين والكولاجين، واللذان يدخلان في تركيب الشريان الأبهر في جسم الإنسان؛[106] ولذلك يصنّف السيليكون من البعض على أنّه من العناصر المغذّية. بالرغم من ذلك، فإنّه من الصعب البرهان على اضطرار جسم الإنسان له، بسبب أنّ السيليكون متوفّر جدّاً، ومن الصعب لذلك فحص الأعراض الناجمة عن نقص وعوز هذا العنصر.[107]

الخواص الفيزيائية

الروابط التساهمية في السيليكون يوجد السيليكون في الشروط القياسية من الضغط ودرجة الحرارة على شكل صلب رمادي ذي بريق أزرق، وهو يُصنّف ضمن أشباه الفلزات. يظهر السيليكون خاصّية التمدّد الحراري السلبي مثل الماء، أي أن كثافته في الطور السائل أعلى بقرابة 10-11% من قيمتها في الطور الصلب. البنية الذرية لذرّة السيليكون أربعة عشر إلكتروناً؛ وهي تكون في الحالة القاعية ذات توزيع إلكتروني على الشكل Ne] 3s2 3p2]. إذاً توجد أربعة إلكترونات تكافؤ في الغلاف الإلكتروني الخارجي، بالتالي بإمكان ذرّة السيليكون أن تحقّق قاعدة الثمانيات وأن تتبنّى الترتيب الإلكتروني المستقرّ للآرغون بتشكيل أربع روابط تساهمية لتعطي مركّبات كيميائية على النمط SiX4، والتي يكون لها بنية جزيئية رباعية السطوح ذات تهجين مداري من النمط sp3، تحتلّ فيها ذرّة السيليكون المركز، والذرّات الأربع الأخرى على قمم رباعي السطوح. تبلغ قيم أوّل أربع طاقات تأين للسيليكون 786.3 و 1576.5 و 3228.3 و 4354.4 كيلوجول/مول، على الترتيب. تعدّ تلك القيم مرتفعة بالشكل الكافي لاستثناء احتمالية أن تكون كيمياء هذا العنصر ذات سمة أيونية؛ إذ تهيمن عليها السمة التساهمية بالفعل. بالنظر إلى الاتجاهات الدورية فإنّ نصف قطر ذرّة السيليكون في روابطها التساهمية الأحادية (117.6 بيكومتر) يقع وسطاً بين تلك القيم الموافقة لذرّة الكربون (77.2 بيكومتر) ولذرّة الجرمانيوم (122.3 بيكومتر)؛ في حين أنّ القيمة الافتراضية لنصف القطر الأيوني لذرّة السيليكون قد تكون قرابة 40 بيكومتر. يتبلور السيليكون على هيئة مكعّب بلوري ماسي البنية البلورية يتبلور السيليكون في الشروط القياسية على شكل بنية تساهمية ضخمة على هيئة شبكة بلّورية ثلاثية الأبعاد لها بنية الألماس المكعّبة، ممّا يفسّر الارتفاع النسبي لنقطة الانصهار (1414 °س)، إذ يتطلّب تكسير هذه الروابط التساهمية وتحطيمها الكثير من الطاقة. لا توجد متآصلات من السيليكون عند الضغوط العادية؛ إلّا أنّه يتبنّى أشكالاً بلّورية مختلفة عند ضغوط مرتفعة؛ إذ تؤدّي زيادة الضغط إلى زيادة العدد التناسقي، ممّا يولّد متآصلاً ذا تعبئة متراصّة عند قرابة 40 غيغاباسكال. يغلي السيليكون عند 3265 °س، ورغم الارتفاع النسبي لتلك القيمة فإنها تبقى أقلّ من قيمة نقطة تسامي مجانسه الكربون (3642 °س)؛ كما أنّ للسيليكون حرارة تبخّر أقلّ من الكربون، وذلك يتوافق مع حقيقة أنّ الرابطة Si–Si أضعف من الرابطة C–C. بيّنت الأبحاث أنّه بالإمكان إنشاء بنية من رقائق السيليسين بشكل مشابه للغرافين. الخواص الإلكترونية ينتمي السيليكون إلى أشباه الموصلات، وتنخفض المقاومية مع ارتفاع درجة الحرارة، ويعود ذلك بسبب وجود فجوة نطاق طاقية صغيرة (1.107 إلكترون فولت) بين أعلى المستويات الطاقية المشغولة بالإلكترونات (نطاق التكافؤ) وبين أخفض المستويات الطاقية غير المشغولة بالإلكترونات (نطاق التوصيل). يقع مستوى فيرمي للسيليكون في منتصف المسافة تقريباً بين نطاقي التكافؤ والتوصيل، بالتالي فإنّ السيليكون النقي هو من المواد العازلة عند درجة حرارة الغرفة. بالمقابل، تؤدّي إشابة السيليكون بعنصر من مجموعة النتروجين (نكتوجين) مثل الفوسفور أو الزرنيخ أو الإثمد إلى توفير إلكترون فائض لكلّ ذرّة شائبة، ممّا يسهّل إثارة الإلكترونات إلى نطاق التوصيل إمّا بأسلوب حراري أو ضوئي، وذلك يولّد شبه موصل من النوع N. بشكل مشابه، فإنّ إشابة السيليكون بعنصر من مجموعة البورون مثل البورون أو الألومنيوم أو الغاليوم تؤدّي إلى توفير مستويات مستقبلة قادرة على التقاط واحتجاز الإلكترونات التي يمكن أن تثار من نطاق التوصيل الممتلئ، ممّا يولّد شبه موصل من النوع p.[ar 3] يؤدّي وصل سيليكون من النوع N مع سيليكون من النوع p إلى تشكيل وصلة الموجب والسالب، والتي تقوم بعمل ثنائي المساري، والذي ينظّم تدفّق الإلكترونات باتجاه واحد.

شرح مبسط

السيليكون [ملاحظة 1] هو عنصر كيميائي رمزه Si وعدده الذرّي 14؛ يقع ضمن عناصر الدورة الثالثة وفي المرتبة الثانية في المجموعة الرابعة عشرة (المجموعة الرابعة وفق ترقيم المجموعات الرئيسية) في الجدول الدوري. يُصنَّف السيليكون من أشباه الفلزّات، ويوجد في الشروط القياسية على شكل صلب بلّوري هشّ ذي بريق معدني رمادي مزرق. السيليكون رباعيّ التكافؤ، وهو ضعيف النشاط الكيميائي نسبياً، لكنّه يمتاز بألفته الكيميائية الكبيرة تجاه الأكسجين.