矽：計算機晶片的“材料擔當”

矽，元素週期表第14號元素，是計算機晶片裡的主要元素。

位於美國加利福尼亞州北部、舊金山灣區南部的加州聖塔克拉拉谷，高科技產業雲集，被稱為“矽谷”。

因為矽優異的半導體效能，使其成為製作計算機晶片的主要元素，在電子工業、計算機業、光導纖維通訊和太陽能領域裡不可或缺。

1787年，拉瓦錫首先發現了存在於岩石中的矽，1811年由蓋·呂薩克和泰納爾，加熱鉀和四氟化矽製得了不純的無定形矽，並根據拉丁文silex（燧石）將矽命名為Silicon，其含義為“堅硬之石”。

矽在地殼中的含量僅次於氧，位居第二位。但矽單質在自然界中卻很少見，僅在福建某地矽卡巖型硫、多金屬礦床中找到了自然矽，呈亮灰銀白色、強金屬光澤、性脆。

有資料顯示，隨著物聯網、Al、智慧駕駛與5G四大核心創新應用，將使資料儲存量出現指數式增長，進而驅使全球儲存器需求大爆發，這必然將提升全球半導體矽的研究及生產。

矽除了在傳統高科技領域的應用，還有更多其他方面的應用。例如，矽可用於製作金屬陶瓷複合材料，這種材料既繼承了金屬和陶瓷各自的優點，又能彌補了兩者的先天缺陷；第一架太空梭“哥倫比亞”號的外殼就是由3。1萬塊矽瓦拼砌而成，它耐高溫、富韌性，有效地抵擋住了高速穿行稠密大氣摩擦時產生的高溫。矽的重要化合物二氧化矽，也是最新現代通訊手段光導纖維通訊的主要材料，一根頭髮絲那麼細的玻璃（二氧化矽）纖維，可以同時傳輸256路電話，而且不受電、磁干擾，不怕竊聽，具有高度保密性。光纖通訊將會使21世紀人類的生活發生革命性鉅變，其主要的研發基地武漢，被稱為“光谷”。此外還有效能優異的有機矽材料，它們是極好的防水塗布材料，可以防止青苔滋生，抵擋風吹雨淋和風化。

矽還在眾多領域裡體現出讓人驚詫的效能。例如，與1克沙粒質量相當的奈米級多孔矽膠顆粒，能具有超過1000平方米（大約一個奧林匹克游泳池）的表面積，可以用於催化、分離、環境清理、藥物釋放等多個領域。其次，由各種海洋生物大規模生產的具有奈米級精度的氧化矽材料，形成新型矽基材料，它們會對環境更加友好，並且能促進生物感測器、生物催化，以及“矽生物技術”的生物分子工程學的發展。1998年，哈佛大學的馬祖爾團隊還報道了利用飛秒鐳射脈衝，在含硫氣體存在的情況下照射矽晶片，會使其光滑的表面形成一個尖峰林立的微觀森林，大大增強了其對可見光的吸收，從而形成了“黑矽”，這一性質使矽元素在太陽能電池中的應用更有前景。

儘管矽已經被發現200多年了，仍然有眾多不知道的性質等待我們去探索和發現。

（作者系武漢市第二十中學化學教師、武漢市科學家科普團成員）

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【來源：西安科普網_材料百態】

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