材料百态

硅，元素周期表第14号元素，是计算机芯片里的主要元素。

位于美国加利福尼亚州北部、旧金山湾区南部的加州圣塔克拉拉谷，高科技产业云集，被称为“硅谷”。

因为硅优异的半导体性能，使其成为制作计算机芯片的主要元素，在电子工业、计算机业、光导纤维通信和太阳能领域里不可或缺。

1787年，拉瓦锡首先发现了存在于岩石中的硅，1811年由盖·吕萨克和泰纳尔，加热钾和四氟化硅制得了不纯的无定形硅，并根据拉丁文silex（燧石）将硅命名为Silicon，其含义为“坚硬之石”。

硅在地壳中的含量仅次于氧，位居第二位。但硅单质在自然界中却很少见，仅在福建某地矽卡岩型硫、多金属矿床中找到了自然硅，呈亮灰银白色、强金属光泽、性脆。

有资料显示，随着物联网、Al、智能驾驶与5G四大核心创新应用，将使数据存储量出现指数式增长，进而驱使全球存储器需求大爆发，这必然将提升全球半导体硅的研究及生产。

硅除了在传统高科技领域的应用，还有更多其他方面的应用。例如，硅可用于制作金属陶瓷复合材料，这种材料既继承了金属和陶瓷各自的优点，又能弥补了两者的先天缺陷；第一架航天飞机“哥伦比亚”号的外壳就是由3.1万块硅瓦拼砌而成，它耐高温、富韧性，有效地抵挡住了高速穿行稠密大气摩擦时产生的高温。硅的重要化合物二氧化硅，也是最新现代通信手段光导纤维通信的主要材料，一根头发丝那么细的玻璃（二氧化硅）纤维，可以同时传输256路电话，而且不受电、磁干扰，不怕窃听，具有高度保密性。光纤通信将会使21世纪人类的生活发生革命性巨变，其主要的研发基地武汉，被称为“光谷”。此外还有性能优异的有机硅材料，它们是极好的防水涂布材料，可以防止青苔滋生，抵挡风吹雨淋和风化。

硅还在众多领域里体现出让人惊诧的性能。例如，与1克沙粒质量相当的纳米级多孔硅胶颗粒，能具有超过1000平方米（大约一个奥林匹克游泳池）的表面积，可以用于催化、分离、环境清理、药物释放等多个领域。其次，由各种海洋生物大规模生产的具有纳米级精度的氧化硅材料，形成新型硅基材料，它们会对环境更加友好，并且能促进生物传感器、生物催化，以及“硅生物技术”的生物分子工程学的发展。1998年，哈佛大学的马祖尔团队还报道了利用飞秒激光脉冲，在含硫气体存在的情况下照射硅晶片，会使其光滑的表面形成一个尖峰林立的微观森林，大大增强了其对可见光的吸收，从而形成了“黑硅”，这一性质使硅元素在太阳能电池中的应用更有前景。

尽管硅已经被发现200多年了，仍然有众多不知道的性质等待我们去探索和发现。

（作者系武汉市第二十中学化学教师、武汉市科学家科普团成员）

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