Mis on räni ja miks tehakse sellest kiipe?

See võib tunduda rumal küsimus, millele saaks vastata vaid mõne lühikese sõnaga: Räni on perioodilisustabeli 14. element. See on üks universumi põhikomponente, üks prooton raskem kui alumiinium, üks prooton kergem kui fosfor. Räni, rohkem kui peaaegu ükskõik milline muu element, tuleb sellisel saidil nagu 2007es.com liiga sageli esile - see on teie kodu moodustavate ehitusmaterjalide põhikomponent, see on kõigi praeguste arvutiprotsessorite alus ja isegi kõige rohkem tõenäoliselt kandidaat, kes on võõra, süsinikupõhise elu alus. Mis teeb räni täpselt nii eriliseks?



Noh, palju asju.

Räni kui ehitusmaterjal



Räni eristavate tunnuste hulgas on eelkõige see, et seda on lihtsalt tohutult palju. Hapniku järel on see maapõues kõige arvukamalt teine ​​element - kuid ärge lootke, et leiate selle lihtsalt lebamas. Räni ei leidu looduses peaaegu kunagi puhtal kujul ja see tuleb praktiliselt alati koos teiste elementidega. Seda leidub kõige sagedamini silikaadina (SiO4Või üks räni aatom, mis on seotud nelja hapnikuaatomiga) ja ränidioksiid (SiOkaksvõi üks räni aatom, mis on seotud kahe hapnikuaatomiga). Ränidioksiid karedal ja väga saastunud kujul on liiva peamine komponent. Päevakivi, graniit, kvarts ja muu põhinevad kõik räni-hapnikuühenditel.

Sega see vee ja kruusaga ning sina

Segage see vee ja kruusaga ning olete saanud betooni.



Räniühenditel on palju erinevaid kasulikke omadusi, peamiselt seetõttu, et nad suudavad teisi aatomeid väga tihedalt ja keerulises järjestuses siduda. Erinevad silikaadid, nagu kaltsiumsilikaat, on peamine koostisosa portlandtsemendis, mis on betooni, mördi ja isegi krohvi peamine sideaine. Mõningaid silikaadirikkaid materjale saab kuumutada kivistunud keraamika, näiteks portselani tootmiseks, teised aga sulavad kokku, moodustades maailma peamise vormi klaasist soodakivi. Räni võib olla kasulik ka lisaainena teistes ainetes, näiteks malmis, mis kasutab nii süsinikku kui ka räni, et muuta raud elastsemaks ja vähem habras.

Ja jah, räni on ka sünteetilise materjali silikooni peamine struktuurikomponent, kuid ärge segage neid kahte - kui see oli tõesti Silicone Valley, oli tehnikamaailm hoopis teine ​​koht, kui me täna näeme.

Räni kui arvutikiip



Arvutitransistori alusena kasutatava elemendi valimisel on märksõnaks takistus. Juhtidel on madal takistus ja nad läbivad elektrivoolu väga hõlpsalt, samas kui isolaatoritel on (ennustatavalt) kõrge takistus ja need aeglustavad või blokeerivad elektronide voogu. Transistori jaoks, mis peab olema võimeline sisse ja välja lülitama oma äranägemise järgi, nõuame a pooleldi -juht, aine, mille takistus on juhi ja isolaatori vahel. Tööstuse parimaid pooljuhte saab vastavalt vajadusele ravida mitmesuguste 'dopanditega', et nende resistentsust peeneks reguleerida.

Puhas ränikristall, mida nimetatakse valuplokiks.

Puhas ränikristall, mida nimetatakse valuplokiks.

Räni pole ainus pooljuhitav aine Maal - see pole isegi parim pooljuht Maal. Mis see on, on ülekaalukalt kõige arvukam pooljuht maailmas. Räni on hõlpsasti kättesaadav kogu maailmas; te ei pea seda Aafrika spetsiaalsetest kaevandustest importima ega tegema mitu kuud kallist ja saastavat ravi, et neid lihtsalt saada. Sellega on lihtne töötada ja mis kõige tähtsam - teadlased on välja mõelnud usaldusväärsed viisid, kuidas seda täiuslikult korrastatud kristallideks kasvatada. Need kristallid on räni kui teemant süsiniku jaoks.

Tohutute, peaaegu täiuslike ränikristallide kasvatamine on tänapäevase arvutikiibi tootmise üks peamisi oskusi. Seejärel viilutatakse need kristallid õhukesteks plaatideks, seejärel graveeritakse, töödeldakse ja töödeldakse mõnikord sadadel erinevatel viisidel, enne kui need kuubikuteks lõigatakse ja pakendatakse kaubanduslikesse protsessoritesse. Sellistest asjadest nagu süsinik ja veelgi eksootilisematest materjalidest nagu germaanium on võimalik teha suurepäraseid transistoreid, kuid ükski neist ei võimalda sellist ränitootmist, mida räni suurte kristallide kasvu kaudu võimaldab - vähemalt veel mitte.



Praegu tehakse ränikristalle (nn valuplokke) 300 mm läbimõõduga silindrites, kuid uuringud lähenevad kiiresti 450 mm künnisele. See peaks aitama hoida tootmiskulusid madalal ja lasta sel kiirusel kasvada veel vähemalt kümme aastat. Pärast seda? Lõpuks ei pruugi olla muud valikut, kui loobuda ränist vähem rikkaliku ja hõlpsasti töödeldava jaoks - head uudised kiiruse töötlemiseks, kuid peaaegu kindlasti halvad uudised teie rahakotile.

Räni kui tulnukate elu

räni 5

Sõna „süsinikupõhine elu“ visatakse palju ringi, kuid mida see tegelikult tähendab? See tähendab, et meie keha moodustavad tuumkonstruktsioonimolekulid (valgud, aminohapped, nukleiinhapped, rasvhapped ja palju muud) on üles ehitatud süsinikuaatomite luustikele. Selle põhjuseks on see, et süsinikul on suurepärane omadus olla „neljavalentne“. Hapnik võib moodustada korraga ainult kaks stabiilset keemilist sidet (mis viib seega vette ehk H-nikaksO) ja lämmastik ainult kolm (põhjustades seega ammoniaaki ehk NH3), Kuid süsinik võib stabiilselt kinni hoida kuni neli erinevat aatomit korraga (andes seega metaani ehk CH4). Neljavalentsus on võimas alus nii tugevate kui ka geomeetriliselt keerukate molekulide ehitamiseks ning see keemiliste vooruste duo on võimaldanud kogu universumis praegu teadaoleva elu arengut.

Star Trek

Star Trek Horta on väidetavalt räni baasil.

Kuid kui me teame, kuidas perioodiline tabel on korraldatud, siis teame, et vertikaalse veeru elementidel on sarnased keemilised omadused - ja otse süsiniku all on räni. Seetõttu on ulmekirjanikud kulutanud nii palju aega ja tinti ränipõhise elu ideele; olles ise neljavalentne, on räni täiesti usutav alternatiivne struktuurielement täiesti uudsetes eluvormides. Räni seondub hea meelega ka teiste räni aatomitega (täpselt nagu süsinik süsinikuga) ja võib seega teatud konformatsioonid oma kohale topelt lukustada. Mõlemat peetakse elu arengu võimaldamisel ülioluliseks.

Muidugi, kuna räni on Maal palju rohkem kui süsinikku, peab olema põhjus, et oleme orgaanilised (süsinikupõhised), mitte ränipõhised - ja see põhjus tuleb tagasi perioodilisustabeli juurde. Liiga detailidesse laskumata on Perioodilisustabelis vertikaalselt madalamatel elementidel raskemad tuumad ja suuremad elektronkestad; räni on füüsiliselt suurem ja raskem kui süsinik, mistõttu see sobib vähem hästi ülipeenete ülesannete täitmiseks, näiteks rekombinantse DNA jaoks. Räni on ka vähem reaktiivne kui süsinik, mis tähendab, et ränipõhine elu võib olla keemiliselt vähem mitmekesine või nõuab keemiliselt vähem soovitavate ühendite eksistentsiks muutmiseks palju laiemat reaktsiooni juhtivate räniensüümide valikut.

Asjaolu, et kogu elu Maal on orgaaniline, hoolimata sellest, et planeedi räni aatomid ületavad süsinikuaatomeid peaaegu tuhat ühele, võib näidata, kui tõenäoline see mujal universumis aset leiab. Siin on palju liike, mis kasutavad räni ühel või teisel määral, kuid ükski neist ei kasuta seda DNA struktuurielemendina. Ränil põhinev elu on kindlasti võimalik, kuid kui see on olemas, on suur tõenäosus, et see ei suuda kunagi siinsamas kodus süsiniku keerukuse tasemeni jõuda.

Räni ja sina

Räni ilmub teie uudistevoogu veel aastaid. Isegi kui mõned näevad järgmise põlvkonna arvutuste platvormina süsinikku ja muid ränielemente, mis on vajalikud, kui soovime jätkata arvutusvõimsuse eksponentsiaalset ajaloolist suundumust, jääb räni paljudes valdkondades valitud aineks. Kas leiame uusi ja põnevaid viise selle elektronide töötlemise juhtimiseks? Võib-olla. Kas leiame, et see on kogu universumi elu aluseks, välja arvatud see, mis arenes Maal? Tõenäoliselt mitte, kuigi see on võimalik. Vähemalt ei ole me kaugeltki loobunud selle kasutamisest hoonetena, kuna räniühendid on aluseks kivimile, mis moodustab suurema osa maakoorest.

Võimalik, et hakkame räni maha jätma - kuid see polnud vähem võimalik ka 20 aastat tagasi. Suure tõenäosusega on see jätkuvalt üks olulisemaid aineid füüsilise maailma inimeste meisterlikkuse edenemisel.

Copyright © Kõik Õigused Kaitstud | 2007es.com