lunes, 18 de mayo de 2015

Silicio

Continuamos el recorrido por la tabla periódica.

Al tener 14 protones –y por lo tanto, salvo que esté ionizado, 14 electrones–, los electrones ocuparán las siguientes capas: dos en la primera capa, ocho en la segunda y cuatro en la tercera y última.

Puesto que esa capa puede tener, como la anterior, ocho electrones, tenemos un elemento que está exactamente en el medio: dos capas perfectamente llenas y una tercera incompleta pero llena justo hasta la mitad. ¿Está el vaso medio lleno o medio vacío? La respuesta que daría el elemento de hoy si pudieras hacerle esa pregunta sería indudablemente: ¿Cómo desea el señor que esté el vaso? Así de solícito y adaptable es
.

El silicio es un elemento muy abundante en el Universo: ocupa el octavo lugar en la lista en masa. Se produce en estrellas de suficiente tamaño cuando la temperatura y la presión son suficientemente grandes como para que se inicie la fusión del oxígeno: todo el silicio de nuestro Sistema Solar proviene de los
restos de supernovas de generaciones anteriores de estrellas. Nuestro propio Sol no tiene la capacidad de producir silicio mediante la fusión.

Una enorme cantidad de la materia sólida de nuestro sistema estelar es silicio, aunque no puro: al ser un semimetal o metaloide, puede formar enlaces con multitud de elementos según lo que tenga cerca. En los planetas y asteroides del Sistema Solar casi todo el silicio se encuentra unido a oxígeno (formando dióxido de silicio o sílice, SiO2), o bien a oxígeno y diversos metales para formar silicatos como el de aluminio (Al2(SiO4)3). Muchas veces hablamos en astronomía de nubes de gas y polvo: una gran cantidad de ese polvo son gránulos de sílice.

En nuestro propio planeta el silicio está por todas partes: un 27% de la corteza terrestre está hecha de silicio. Si recuerdas la entrada del
oxígeno, aquel elemento constituye un 49% de la corteza, de modo que juntos suponen el 76% de la corteza, ¡las tres cuartas partes! La corteza terrestre es básicamente silicio y oxígeno con algunas otras cosillas mezcladas.

Esto quiere decir, que has visto silicio por todas partes durante toda tu vida. Llevaría mucho tiempo nombrar siquiera un pequeño número de las rocas y materiales comunes que contienen silicio, pero para que te hagas una idea aquí tienes una muestra: la arena, la arcilla, el cuarzo, el ágata, la amatista, el cristal de roca, el feldespato, la mica, el ópalo, el pedernal… todos contienen sílice o silicatos. Fíjate en que los tres componentes del granito (cuarzo, feldespato y mica) tienen todos silicio. La lista de minerales que no contienen silicio no es demasiado larga.

¿Significa esto que hemos conocido la existencia del silicio durante milenios? No, en absoluto. Al ser un elemento tan reactivo, es muy difícil encontrarlo puro en la naturaleza, de modo que hubo que esperar a que alguien consiguiera aislarlo de uno de sus compuestos: alguien con la curiosidad y la habilidad necesarias para lograrlo. Como en tantas otras ocasiones, esto sucedió durante la fiebre de búsqueda de elementos del siglo XIX.

Ya antes, en 1787, el francés Antoine Lavoisier había identificado el silicio como una sustancia (aún no como un elemento) que formaba parte de la sílice. El nombre del elemento proviene precisamente de ahí: “silicio” es “el elemento de la sílice”, que a su vez proviene del latín silex, que aún utilizamos en castellano (sílex) para referirnos al pedernal. En 1800 Humphry Davy estaba convencido de que el silicio era un compuesto, aunque nunca consiguió obtener sus elementos constituyentes…¡porque, naturalmente, no había ninguno!

Aunque en 1811 los franceses Joseph Louis Gay-Lussac y Louis Jacques Thénard probablemente lograron –por la descripción de sus experimentos y las propiedades de las sustancias obtenidas– aislar silicio a partir de tetrafluoruro de silicio, no fueron capaces de identificarlo como elemento. El honor de su descubrimiento como tal pertenece al sueco Jöns Jakob Berzelius, que logró aislarlo e identificarlo en 1823, utilizando un método muy similar al de Gay-Lussac y Thénard.

¡Poco podía sospechar Berzelius lo importante que sería ese polvo de color metálico que había logrado obtener! El silicio tiene propiedades similares a las del carbono (al fin y al cabo tiene el mismo número de electrones en la última capa): al igual que él puede encontrarse en forma amorfa o formar cristales. Eso sí, los cristales de silicio puro no tienen nada que ver con los de carbono: la peculiar geometría y solidez de los enlaces del carbono cristalino no se reproducen en el silicio, de modo que los cristales de silicio no son, ni de lejos, tan resistentes como el diamante.

Sin embargo, a cambio el silicio tiene una ventaja fundamental respecto al carbono: los electrones de la última capa están más lejos del núcleo que los del carbono y, por lo tanto, están menos “atados” al átomo. Por eso, el silicio se comporta de una manera más metálica que el carbono. Si te fijas en esta fotografía de silicio en polvo, ¿podrías distinguirlo de un metal cualquiera?


Pero el silicio no es un metal, aunque posea el brillo metálico debido a la movilidad de sus electrones: sus propiedades eléctricas son mucho más interesantes que las de un metal por su flexibilidad. Su condición de semiconductor es la que lo hace tan útil para nosotros: si se mezcla silicio puro con cantidades muy pequeñas de otros elementos (se dopa) pueden modificarse sus propiedades eléctricas de forma muy precisa.

De hecho, ése es el uso más conocido del silicio: como semiconductor en electrónica. No en vano Silicon Valley tiene ese nombre. Sin embargo, obtener silicio listo para ser usado de ese modo no es tan sencillo – hace falta por un lado una pureza extraordinaria y, por otro, una estructura a escala atómica muy ordenada.

Los primeros sistemas para obtener silicio, aunque sencillos, no permitían una gran pureza (no más de un 98%). Siguen utilizándose hoy en día para producirlo cuando no hace falta que sea muy puro, o para purificarlo posteriormente: se introduce sílice (SiO2) en una caldera con algún tipo de carbono (por ejemplo, carbón) y se calienta hasta casi 2000 °C. El carbono reemplaza entonces al silicio junto al oxígeno, formando dióxido de carbono y liberando el silicio:

SiO2 + C --> Si + CO2

El silicio fundido se va depositando en el fondo de la caldera, se retira y ¡voilá!, se tiene silicio relativamente puro a un precio muy bajo (la sílice y el carbón son baratos, y el proceso no es complicado). Sin embargo, como he dicho antes, este silicio no puede utilizarse aún como semiconductor en electrónica o como parte de un panel solar: aparte de tener impurezas es amorfo, es decir, los átomos de silicio están apelotonados unos contra otros de cualquier manera.

Eso hace que los electrones que se mueven por el silicio lo hagan bastante mal: el silicio no es, al fin y al cabo, un metal, de modo que no conduce demasiado bien. Al ser además amorfo, cuando un electrón empieza a moverse en una dirección determinada se encuentra muy pronto con un átomo de frente, de modo que su movimiento se ve interrumpido. Para lograr un flujo de electrones sin interrupciones hace falta silicio cristalino, en el que los átomos estén ordenados más o menos perfectamente y haya pocos átomos de otros elementos –salvo los que se introduzcan a propósito cuando se dopa, por supuesto, e incluso entonces deben estar en posiciones determinadas–.

Para lograr esto se han utilizado distintos métodos a lo largo del siglo XX. Al principio se utilizaban métodos físicos: cuando el silicio fundido se solidifica, las impurezas ralentizan el proceso, de modo que la parte que se solidifica antes es más pura. Si se solidifica silicio fundido en una barra, por ejemplo, la “corteza” de la barra será más impura que el centro. Si se lima y se descarta la parte más externa, lo que queda (el centro de la barra) tiene mayor pureza. A continuación se puede volver a fundir la barra, solidificarla y “pelar la corteza” de nuevo, etc. Al final se tiene una menor cantidad de silicio, pero de una pureza mayor en cada iteración del proceso.

Hoy en día se emplean, sin embargo, métodos químicos, que son más baratos: aunque parezca extraño, se mezcla el silicio impuro con otros elementos para formar compuestos, como el triclorosilano (HSiCl3 ) que son gases a temperaturas relativamente bajas (de unos 1200 °C). A continuación se cogen barras de silicio y se introducen en el gas: poco a poco, el triclorosilano se va descomponiendo y depositando silicio, átomo a átomo, sobre la barra, que se va haciendo más gruesa. Al depositarse poco a poco, los átomos lo hacen de forma relativamente ordenada, formando pequeños cristales. Este proceso, denominado proceso Siemens, produce silicio de una enorme pureza (una parte entre mil millones no es silicio). El silicio de este tipo, producido por el proceso Siemens y otros diferentes, se denomina silicio policristalino, pues está formado por multitud de pequeños cristales de silicio:


Estos cristales tienen un tamaño de unos nanómetros hasta unas micras, pero eso es suficiente para que sus propiedades eléctricas sean muy diferentes del silicio amorfo: para un electrón, recorrer una micra por un cristal ordenado es un verdadero viaje comparado con el silicio amorfo. El silicio policristalino se usa en paneles solares y electrónica, industrias que consumen enormes cantidades de este elemento.

Eso sí, a veces ni siquiera el silicio policristalino es suficiente: los pasos de un pequeño cristal al siguiente siguen interrumpiendo el flujo de los electrones y modificando las propiedades eléctricas del material. Es posible entonces, si se desea mayor perfección, obtener silicio monocristalino, en el que el bloque entero de silicio es un único cristal perfecto de tamaño macroscópico. Para ello se emplean procesos como el de Czochralski (que también sirve para producir cristales de otros semiconductores, metales e incluso producir gemas artificiales).

En el proceso de Czochralski se utiliza un crisol hecho de cuarzo, en el que se hace una especie de “sopa”: silicio de gran pureza fundido, al que se añaden otros elementos para doparlo, como boro o fósforo dependiendo de qué tipo de semiconductor se quiere obtener. A continuación se introduce en la “sopa”, colgando de un hilo metálico, un minúsculo cristal de silicio que actúa de semilla del cristal mayor. Se va rotando este pequeño cristal en el silicio fundido mientras se va subiendo poco a poco. El silicio, junto con las impurezas que se han añadido y algunos átomos de oxígeno de las paredes de cuarzo, se va depositando muy, muy lentamente sobre el cristal, formando capa tras capa de átomos perfectamente ordenados:



Cuando se acaba, se tiene una barra que es un cristal único de silicio, de uno o dos metros de largo y hasta 40 cm de grosor: una especie de “salchicha de cristal de silicio”:

Finalmente se coge la “salchicha” y se va cortando en obleas finas de medio milímetro de grosor utilizando cuchillas de diamante. Las obleas se pulen por una cara o las dos y finalmente se graban químicamente para ser utilizadas en la fabricación de circuitos integrados. Aún no sé si se utiliza más silicio policristalino o monocristalino en electrónica, de modo que si lo sabes deja un comentario.



Pero no hay que olvidar que sus propiedades como conductor no son lo único que hace útil al silicio para el ser humano: la arena es, al fin y al cabo, uno de los componentes fundamentales del cemento, y la arena no es más que sílice. Lo mismo sucede con el vidrio, que no existiría sin el silicio. Más interesantes aún son las siliconas, que son polímeros artificiales en los que el silicio es una parte fundamental de la cadena (de ahí su nombre). Las siliconas tienen multitud de usos, desde aislantes y pegamentos hasta… bueno, hasta la modificación de atributos que la Madre Naturaleza no creó tan prominentes como sus propietarios desearían.

El silicio es interesante, además, porque sus similitudes con el carbono han hecho a muchos preguntarse si es posible que existan formas de vida basadas en el silicio, en vez de en el carbono. De hecho, muchas obras de ciencia-ficción parten de esa premisa. La principal razón de que la vida terrestre esté basada en el carbono y no haya ninguna forma de vida basada en el silicio es que el disolvente ubicuo en la Tierra (el agua) no funciona demasiado bien para transportar silicio. El dióxido de carbono se disuelve muy bien en agua, pero el dióxido de silicio (como sabes si has intentado alguna vez disolver arena en agua) no lo hace nada bien, lo cual hubiera dificultado mucho la existencia de un “ciclo del silicio” equivalente al ciclo del carbono.

Además, el silicio es distinto del carbono en otros aspectos: para empezar, los átomos son más grandes y no hay muchos polímeros de gran longitud que sean estables. Una “química orgánica del silicio” no sería tan versátil y con tal abundancia de compuestos como la del carbono. En parte esto se debe también a que el silicio no puede formar enlaces dobles, triples y cuádruples con la facilidad del carbono. ¿Quiere todo esto decir que no vamos a encontrar formas de vida basadas en el silicio en el Universo? No – simplemente que es más probable que estén basadas en el carbono, que es incluso más abundante.


Esto tampoco significa que los organismos terrestres renieguen del silicio, sino que no lo utilizan como base de su química, sino para funciones muy especializadas: por ejemplo, los radiolarios (un protozoo) tienen esqueletos hechos de sílice, mientras que las diatomeas (un alga) crean polímeros basados en el silicio con los que refuerzan su pared celular a modo de armadura. Los erizos de mar, por su parte, tienen espinas de sílice. De modo que los seres vivos suelen utilizar la sílice, como ves, como refuerzo o protección.

En cualquier caso, ¿quién sabe? Si en no demasiado tiempo logramos crear una forma de vida artificial e inteligente, es posible que lo hagamos basando su “sistema nervioso” en el silicio, de modo que tal vez –aunque sea de una forma inesperada– el silicio sí se convierta en la base de una forma de vida, aunque sea inorgánica.

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