Nguyên tố Silicon

Số nguyên tử: 14
Trọng lượng nguyên tử: 28,0855
Màu sắc: ánh kim và hơi xanh
Pha: rắn
Phân loại: á kim
Điểm nóng chảy: 1414^oC
Điểm sôi: 3265^oC
Cấu trúc tinh thể: lập phương kim cương

Silicon là nguyên tố hóa học dồi dào thứ hai trong lớp vỏ của hành tinh chúng ta, sau oxygen. Nó là nguyên tố chính trong đá lửa, vật liệu đầu tiên được con người sử dụng để chế tạo các công cụ và vũ khí. Thật vậy, tên gọi silicon có xuất xứ Latin silicis, nghĩa là “đá lửa”.

Tất nhiên, ngày nay chúng ta biết làm nhiều thứ hơn là việc đơn giản cọ xát hai mảnh silicon vào nhau; để chứng minh, bạn hãy nhìn ra ngoài cửa sổ xem... hay thậm chí chỉ cần nhìn vào cửa sổ thôi, bạn sẽ thấy một tấm lớn vật liệu gốc silicon gọi là thủy tinh. Silicon còn là một thành phần chính trong ngành công nghiệp bán dẫn, vật liệu xây dựng, dầu bôi trơn công nghiệp, chất độn ngực và đá quý. Nếu chưa đủ, bạn có thể nghĩ tới silicon lúc bạn ngồi chơi ngoài bãi biển lần sau – cát được các nhà hóa học gọi là silicon dioxide.

Trong trường hợp bạn vẫn chưa thấy ấn tượng, thì silicon còn là nguyên tố dồi dào thứ tám trong toàn cõi vũ trụ và một số nhà sinh vật học vũ trụ đề xuất rằng nó có thể tạo nên cơ sở của sự sống ở những thế giới khác – giống hệt như vai trò của carbon trên Trái đất. Một nguyên tử silicon có thể liên kết với bốn nguyên tử khác, giống hệt như carbon. Tuy nhiên, trong khi sự sống trên Trái đất dùng nước làm dung môi, thì hóa sinh học gốc silicon đòi hỏi ammonia lỏng và nhiệt độ cực thấp để sinh sôi.

Thật khó tưởng tượng một hạt cát hay chiếc đồng hồ thạch anh trên cổ tay bạn lại có gốc gác từ một nguyên tố thiết yếu cho cơ sở vật lí của các ngôi sao chết, nhưng đây là câu chuyện vũ trụ của silicon. Silicon được hình thành bởi quá trình hợp nhất hạt nhân xảy ra bên trong một ngôi sao nào đó. Sau khi toàn bộ hydrogen đã biến đổi thành helium, ngôi sao bắt đầu một chuỗi phản ứng hạt nhân, đốt cháy carbon, neon và oxygen và mỗi giai đoạn tạo ra những nguyên tố bổ sung; silicon được tạo ra trong quá trình đốt cháy oxygen.

Bản thân silicon có đốt cháy qua sự nhiệt hạch, trong một pha chỉ kéo dài hai ngày gần cuối đời của ngôi sao; pha này kích hoạt một quá trình tạo ra các nguyên tố như sắt, nickel, và kẽm. Sắt sẽ không tiếp tục hợp nhân để tạo ra những nguyên tố nặng hơn, và lúc này ngôi sao không còn nhiên liệu để cấp nguồn cho các phản ứng của nó nữa. Sau đó, nó co lại một cách ngoạn mục, trong một số trường hợp nó tạo ra một sự kiện khủng khiếp gọi là sao siêu mới. Những vụ nổ này mạnh và sáng đến mức chúng có thể thắp sáng toàn bộ thiên hà trong hàng tháng trời, tạo ra lượng năng lượng khủng khiếp và các nguyên tố được phóng thích vào trong không gian. Quá trình này xảy ra bên trong các ngôi sao đã ra đời và chết trước Mặt trời, tạo ra silicate từ đó các hành tinh của Hệ Mặt trời được tạo ra – và lớp vỏ của hành tinh chúng ta cũng ra đời từ đó.

Silicon được khám phá bởi nhà hóa học người Thụy Điển Jöns Jakob Berzelius, vào năm 1824. Ông đã tách được mẫu nguyên chất đầu tiên bằng cách đun nóng potassium fluorosilicate với kim loại potassium. Tuy nhiên, tên gọi silicon được đặt bởi nhà hóa học người Scotland Thomas Thomson: Berzelius đã nêu ra tên gọi silicium; Thomson đề xuất tên gọi silicon thay thế sau khi nhìn thấy các tính chất của nguyên tố mới có liên hệ gần gũi với các láng giềng phi kim của nó, boron và carbon. Berzelius đã tổng hợp được silicon vô định hình, nghĩa là silicon không có bất kì loại cấu trúc tinh thể nào. Tuy nhiên, vào năm 1854, nhà hóa học người Pháp Henri Deville đã thành công trong việc điều chế silicon kết tinh, trong đó các nguyên tử được sắp xếp thành hình kim cương.

Có lẽ công dụng quan trọng nhất mà silicon được khai thác chính là dùng trong phát triển vi mạch. Nhiều năm trước đây, các kĩ sư thường sử dụng các dụng cụ kềnh càng gọi là đèn chân không để điều hòa dòng điện. Sau đó, vào đầu thế kỉ 19, họ khám phá ra “chất bán dẫn” – những vật liệu không phải chất cách điện hoàn hảo, cũng không phải chất dẫn điện hoàn hảo. Một trong những chất bán dẫn đầu tiên đó là silicon. Một mẫu silicon có thể được “pha tạp chất” với những lượng nhỏ nguyên tố khác để mang lại cho nó sự dư thừa các electron tích điện âm hoặc các “lỗ trống” tích điện dương – tương ứng được gọi là chất bán dẫn loại n và loại p. Thiết lập một dòng điện vào lớp tiếp xúc của chất bán dẫn loại n và loại p tạo ra một transistor (một công tắc điều khiển dòng điện đi qua lớp tiếp xúc) và đây là cơ sở của máy vi tính và mọi dụng cụ vi điện tử khác. Các vi mạch hiện đại nhất đóng hàng tỉ transistor lên trên một hình vuông kích cỡ chỉ 1 cm.

Ngành công nghiệp điện tử bán dẫn sẽ chẳng là gì nếu không có nguyên tố silicon, vật liệu cơ bản trong sản xuất vi mạch.

Silicon được pha với các kim loại, ví dụ như nhôm, để tăng khả năng của chúng tạo ra lớp đúc chất lượng. Silicon được pha với carbon để tạo thành silicon carbide, một chất mài mòn thông dụng, còn các tinh thể thạch anh là một dạng silicon dioxide tinh khiết (thường được sản xuất hơn là khai khoáng), chúng cộng hưởng ở một tần số riêng, nên được ứng dụng trong đồng hồ. Pha với oxygen, silicon tạo thành polymer giống cao su gọi là silicone, nó được dùng cho nhà tắm chống thấm và độn ngực thẩm mĩ.

Chất độn ngực silicone được trình làng vào thập niên 1960 và trở nên rất thông dụng với hàng triệu phụ nữ – và đàn ông chuyển giới. Vào thập niên 1990, một số phụ nữ khẳng định rằng silicone rò rỉ ra khỏi bộ phận độn của họ, làm ảnh hưởng đến sức khỏe của họ và thậm chí gây ung thư. Phàn nàn này đưa đến các vụ kiện tụng và sự phá sản của một nhà sản xuất silicone hàng đầu ở Mĩ. Tuy nhiên, những nghiên cứu sau đó bác bỏ các hiểm họa của silicone trong cơ thể người và dạng chất độn này tiếp tục được sử dụng phổ biến.

Vào tháng 12 năm 2011, các bộ độn silicone lại gây đình đám trở lại khi một công ti Pháp, Poly Implant Prothèse (PIP), bị phát hiện đang sử dụng silicone gia công công nghiệp bất hợp pháp, chất chỉ thích hợp để dùng trong nông nghiệp, các ứng dụng điện, và trong chăn nệm – chứ không thích hợp cho cơ thể người. Vấn đề này gây quan ngại sâu rộng bởi vì PIP đã xuất khẩu hàng nghìn sản phẩm ra nước ngoài, song song với thị thường Pháp. Các chất độn silicone chuẩn công nghiệp không hẳn là độc, mặc dù chúng có khả năng dễ vỡ và rò rỉ hơn các chất độn hợp pháp. Hãng PIP đã đóng cửa và chính phủ Pháp khuyến cáo những ai đã sử dụng sản phẩm độn của PIP thì nên loại bỏ.

Ảnh chụp hiển vi quang học của một vi mạch silicon. Các vi mạch được làm từ bánh xốp silicon, được “khắc” các kênh dẫn và các vùng tích điện âm và dương để mang lại cho chúng những tính chất điện cần thiết. Các vi mạch ngày nay có thể chứa hàng tỉ bộ phận điện tử trên một diện tích chỉ vài centi-mét vuông.

Về mặt sinh học, cơ thể người chỉ cần hàm lượng silicon rất nhỏ, nó được dùng trong bộ xương. Việc tiếp xúc lâu ngày với những hợp chất silicon nhất định làm ảnh hưởng đến sức khỏe – ví dụ, tiếp xúc lâu ngày với magnesium silicate (amiăng) là có nguy cơ ung thư. Tuy nhiên, silicon có thể có lợi trong điều trị bỏng, nó có tác dụng rất lớn trong việc giảm gây sẹo. Các tấm gel silicone có thể được dán lên vết sẹo (không phải vết thương hở miệng) để giúp điều trị tình trạng sẹo phình trướng (vết sẹo trở nên sưng đỏ và ngứa) và sẹo trâu (vết sẹo tiếp tục lớn và xâm lấn các mô bình thường. Với kĩ thuật điều trị silicone, quá trình lành sẹo có thể giảm từ hàng năm xuống còn hàng tuần.

Trích The Periodic Table – Paul Parsons & Gail Dixson

Bài trước | Bài kế tiếp