Silicium

Som halvleder er silicium også det vigtigste element, der anvendes til fremstilling af solceller fra solceller . Disse samles derefter i solpaneler til produktion af elektricitet.

Mekaniske komponenter

Silicium har i sin rene tilstand høje mekaniske egenskaber, som gør det brugt til produktion af små dele beregnet til visse mikromekanismer og endda til fremstilling af spiralfjedre beregnet til avancerede mekaniske ure.

Den vigtigste anvendelse af silicium som et enkelt legeme er som et legeringselement med aluminium . Aluminium-silicium -legeringer ( AS eller 40000-serien ifølge NF EN 1780-1, også kaldet "sialumins") anvendes til fremstilling af formdele , især til biler (f.eks legeret fælg) og luftfart. (F.eks elementer af indbyggede elektriske motorer). Aluminium-siliciumlegeringer tegner sig for ca. 55% af det globale siliciumforbrug. Den bedst kendte legering er Alpax tæt på den eutektiske sammensætning (ca. 13  % m Si).

Mikro og nanostruktur

På grund af udførelsen af ​​ætsning og formdannende processer med silicium anvendes silicium til:

• dannelsen af ​​nanoporøst silicium for at adskille brint fra ilt fra vandmolekylet i brændselsceller  ;
• dannelsen af ​​nanoprodukter på en siliciumoverflade ved reaktiv ionætsning (RIE) for at forbinde halvlederchips.

Forbindelser

Ud over egenskaberne ved elementært silicium har mange siliciumforbindelser anvendelser. Blandt de mest berømte:

• den silica har karakter af kompakt form (småsten, vene kvarts, for eksempel), eller i form af sand mere eller mindre ende. Det opnås også industrielt i pulverform (syntetisk silica). Det har mange anvendelser:
  • det glas fremstilles i årtusinder ved at smelte sand hovedsagelig består af SiO 2 med calciumcarbonat CaCO 3 og natriumcarbonat Na 2 CO 3. Glas kan forbedres med forskellige tilsætningsstoffer,
  • kiselsand er en af ​​komponenterne i keramik ,
  • den kvarts danner smukke krystaller. Det bruges som et gennemsigtigt materiale, mere modstandsdygtigt over for varme end glas (pære med halogenlamper ). Det er også meget sværere at smelte og arbejde,
  • silica arbejder direkte med carbon black ved fremstilling af pneumatiske energieffektive ("grønne" dæk)
  • meget fint silica anvendes som blanding til højtydende betoner ;
• den ferrosilicium og silico-calcium anvendes som legeringselementer i udviklingen af stål eller støbejern  ;
• den siliciumcarbid har en krystallinsk struktur svarende til den af diamant  ; dens hårdhed er meget tæt på det. Det bruges som slibemiddel eller i keramisk form i bearbejdningsværktøjer;
• den calciumsilicat Casio 3 er en komponent af cement .

Dating

Den silicium 32 kan bruges radiometrisk datering til at bestemme alderen rækkefølgen af århundredet.

I naturen

Efter ilt er det det rigeste element i jordskorpen .

Mineraler

Silicium på jorden findes hovedsageligt i mineralform og især i form af silicater , som udgør 28% af jordskorpen . Silicium er for eksempel en bestanddel af silicasand, resultatet af nedbrydning af klipper såsom granit .

Organiske molekyler

Silicium findes i visse organiske molekyler, såsom silaner - methylsilantrioler, dimethylsilandiol -, silatraner.

Siliciumbiologi

Den kiselalger og radiolarians stede i plankton er i begyndelsen af fødekæden af havene, deltage i biogeokemiske kredsløb af silicium. De ekstraherer silica fra havvand for at danne deres ydre skelet. Havvand er relativt fattigt i silica undtagen i store dybder (opløsning af skeletter af kiselalger) og i nærheden af ​​flodmundinger. Det stiger til overfladen kun takket upwelling ( opstigning ). Der er derefter en betydelig produktion af plankton. Men den mest fornyede kilde til silica i havene opløses i vandet i floderne, der strømmer ind i dem, men også i deres silt. Det blev revet fra bjergkæder og land krydset af vand fra kilder, vandløb og floder. Det er også i flodmundingen, vi finder mest fisk. Da de er øverst i den marine fødekæde, må vi overveje, at det er fordi de finder der plankton i mængde. Vi må derfor undre os over de store mængder silt fanget i bunden af ​​dæmninger i vandløbsoplande rundt om i verden. Dette kan meget vel påvirke den nuværende bestand af fisk i havene, som er i kraftig tilbagegang.

Den menneskelige krop indeholder omkring 7  g silicium.

Silicium findes forbundet med glycosaminoglycaner og polyuronider: chondroitinsulfat, dermatansulfat, keratansulfat, heparansulfat og heparin. Det er også involveret i syntesen af kollagen (3 til 6 atomer af Si pr. Alfakæde) og elastin . Den aorta sker for at være det væv, som indeholder mest af det sammen med hud og thymus . Siliciumniveauet i disse væv falder med alderen i meget store proportioner: tab på ca. 80-90% (undersøgelse på kaniner) . Faldet i silicium i arterievæggene er korreleret med fragmenteringen af ​​elastin og tabet af dets elasticitet. Jo mere aterosklerotisk en arterie er, jo mindre silica indeholder den, og jo mere stiv er den .

En diæt med højt kolesteroltal forårsager eksperimentel aterosklerose hos kaniner. Indgivelsen af ​​organisk silicium forhindrer fragmentering af elastinfibrene . Et stift rør leder en strøm mindre godt end et fleksibelt rør. Gendannelse af arteriel elasticitet - overholdelse - vil uden tvivl hjælpe med at sænke højt blodtryk.

Silicium er involveret i bindingen af ​​calcium (Ca) på niveauet af skeletet. Den osteoide grænse, det område, hvor knoglen fremstilles, har en top i siliciumkoncentration, der ikke findes i moden knogle. Silicium forstærker virkningen af ​​zink (zn) og kobber (Cu).

Silicium deltager i immunsystemets funktion . Thymus, der indeholder betydelige mængder af det, er det organ, hvor T-lymfocytter "programmerer" sig selv. Det skal også bemærkes, at makrofager har en meget stor appetit på det og genbruger silica lokalt i overskud (f.eks. lunger). Det er også involveret i syntesen af ​​antistoffer ( immunglobuliner ).

For nogle vil vores siliciumreserve falde drastisk med alderen. Faktisk er der først og fremmest en ændring i fordelingen af ​​silicium i kroppen: nogle væv ser deres hastighed falde drastisk (hud, arterier, thymus, brusk osv.), Andre "bliver støvet" på en markant måde som f.eks. lunger og ganglier forbundet med dem på grund af deres store rigdom i makrofager. Hvis balancen mellem totalt silicium som funktion af alder godt kunne balancere med hensyn til mængde, synes den effektive tilgængelighed for stofskifte at falde med alderen. Dette skal ses i sammenhæng med insufficiens i fødeindtagelse og den progressive mangel på organismen i organiske molekyler, der indeholder "en-diol" -enheder . Disse ændrer siliciumens valens og danner dermed hypervalente komplekser (penta- eller hexa-) af høj biologisk betydning. Blandt disse molekyler er polyphenoler (antioxidanter), visse neuromediatorer som følge af metabolismen af ​​tyrosin (adrenalin, dopamin) eller tryptophan (serotonin, melatonin) og især ascorbinsyre (C-vitamin). Det er derfor ikke sikkert, at daglige fødeindtag er dækket i alle befolkningssegmenter, især dem med øgede behov eller mangler på grund af en ikke-diversificeret diæt, der er fattig i frugt og grøntsager og andre fødevarer rig på polyfenoler. Antioxidanter (voksende børn, gravide kvinder , ældre) eller mennesker med øgede behov. Således er muskuloskeletale ulykker meget mange hos atleter (forstuvninger, senebetændelse, stammer, mikrobrud  osv. ). Disse ulykker involverer anatomiske strukturer såsom knogle, hvor silicium er en nøglefaktor i dets syntese eller andre, såsom sener, ledbånd eller muskler, der indeholder store mængder silicium (elastin, kollagen). Den eksterne anvendelse af en gel indeholdende organiske komplekser baseret på methylsilantriol, der krydser hudbarrieren, er af stor terapeutisk interesse .

I naturen dannes "organisk silicium" på overfladen af ​​silica under påvirkning af elementer forbundet med planterødderne for at gøre det muligt for dem at assimilere det. Visse planter såsom padderok , bambus, brændenælde , havre, der indeholder betydelige mængder silicium, er meget udbredt i urtemedicin og kosmetologi (brændenælde, havre). Den hensynsløse tørring af disse planter ophæver nogle af de gavnlige virkninger, fordi silica polymeriserer . Andre planter, der anvendes i menneskelig mad, såsom ris, hvede, æble (pektin) osv. De indeholder også betydelige mængder, især i skaller, hvorfor fordelen ved at indtage ris eller fuld hvede. Visse mineralvand, vin, især øl kan også betragtes som bemærkelsesværdige kilder. Den AFSSA (franske agentur for fødevaresikkerhed) har ikke etableret anbefalede daglige indtag for silicium. Behovene anses generelt for at være stort set dækket af kosten uden nogen virkelig seriøs undersøgelse, der understøtter denne påstand.

Udtrykket "organisk silicium" er passende, når kemikere tilsætter et eller flere carbonatomer til et siliciumatom, hvilket for eksempel resulterer i en monomethylsilantriol eller en dimethylsilandiol. Den kontrollerede tilknytning af et passende organisk molekyle (f.eks. Et salicylat) med monomethylsilantriol danner et kompleks udstyret med interessante egenskaber, såsom muligheden for at trænge dybt ind i hudovertrækket. Denne type kompleks bruges i vid udstrækning i kosmetologi som en anti-rynke ved intercellulær fyldnings- og stramningseffekt. Dette skyldes en favoriseret syntese af kollagen og elastin . For det organiske silicium, der markedsføres for eksempel G5, er det en silanol med formlen CH3-Si (OH) 3.

Et sådant kompleks er også blevet anvendt i human terapi under specialnavnet Conjonctyl med indikation af kredsløbsiskæmi (cerebral, koronar, mesenterisk, lemmer), osteoporose, mastodynia og mastose såvel som tilstande af asteni. Fysisk og / eller psykologisk af den gamle mand. Kun markedsføringstilladelsen ( AMM ) for disse indikationer er trukket tilbage, på grund af mangel på, at producentlaboratoriet er i stand til at frembringe nyere klinisk dokumentation, videnskabeligt vurderet. Conjunctyl blev for nylig godkendt igen som et medicinsk udstyr ved intradermal injektion til udfyldning af huddepressioner (rynker, ar).

Siliciumbiokemi

Muligheden for en helt anden livsform baseret hovedsageligt på silicium og ikke kulstof er blevet nævnt. Dette kunne være baseret på det faktum, at silicium ikke kun er tetravalent som carbon, men at det er i stand til at danne ladede og stabile fem- og seks-koordinatkomplekser. Disse kunne have interessante katalytiske egenskaber, som er blevet lidt undersøgt i eksobiologiske hypoteser .
Det skal dog bemærkes, at silicium er ekstremt vanskeligt at danne flere bindinger, som er nødvendige for, at udvekslingerne fungerer i cellen. Eksempler på siliciummolekyler med flere bindinger eller andre valenser end IV er kun mulige med særligt komplekse substituenter. På et eller andet tidspunkt Forskning Af lægemidler indeholdende silicium blev udført og i sidste ende ikke medført nogen fordel .

Nogle videnskabsmænd Tror de er nødt til at konkludere negativt til denne form for proposition. Ifølge dem ville silicium kun deltage lidt i biologiske reaktioner, men snarere tjene som støtte (konvolutter, skelet, geler). Imidlertid viser sig, at silicium er tæt forbundet med DNA , derfor inde i cellernes kerne , for en funktion, der stadig skal identificeres. Der er også et enzym i mitokondriernes væg, som deltager i transporten af ​​silicium inde i dem og kan være forbundet med Krebs-cyklussen .

Endelig er de endelige argumenter, der kan sætte spørgsmålstegn ved muligheden for en eksistens af en livsform baseret på silicium, på den ene side den relative overflod af kulstof i universet, som er meget større end silicium og 'på den anden side den kemiske inerti silica SiO 2 , fast, sammenlignet med labilitet af kuldioxid CO 2 , gasformig.

Hypotesen om et liv baseret på silicium vises i en episode af Star Trek (TOS, The Mines of Horta ) og i en roman af Philip K. Dick , Nick og Glimmung.

Industriel produktion af silicium

Silicium findes ikke naturligt i fri tilstand på Jorden , men det er meget rigeligt i form af oxider, for eksempel silica eller silicater . Silicium ekstraheres fra dets oxid ved metallurgiske processer, og dets renhedsgrad afhænger af dets endelige anvendelse.

Renhed af silicium

Der er tre niveauer af siliciumrenhed, der er udpeget efter brug:

• metallurgisk silicium (renhed 99%), bemærket MG-silicium (på engelsk: metallurgisk kvalitet );
• solkvalitets silicium (renhed 99,999 9%), betegnet SoG-silicium ( solkvalitet );
• elektronisk silicium (renhed 99,999 999 99%), betegnet EG-silicium ( elektronisk kvalitet ).

Produktion af metallurgisk silicium

For at opnå gratis silicium (undertiden forkert kaldet “siliciummetal” for at skelne det fra ferrosilicium ) skal det reduceres; industrielt udføres denne reduktion ved elektrometallurgi i en åben lysbueovn , hvis effekt kan gå op til ca. 35 MW . Den generelle reaktion er i princippet en carboterm reaktion  :

Virkeligheden er mere kompleks, idet mellemreaktioner for eksempel fører til dannelsen af siliciumcarbid SiC, siliciummonoxid SiO (ustabil).

I praksis er det silicium indført i form af stykker af silica (småsten, eller stykker af vene kvarts ), blandet med reduktionsmidler såsom træ, trækul , kul , råolie koks . Under hensyntagen til renhedskravene ved de endelige anvendelser skal siliciumdioxiden være relativt ren (især lavt jernoxidindhold ), og reduktionsmidlerne vælges omhyggeligt (f.eks. Vasket kul).

Blandingen hældes i en digel flere meter i diameter, hvor cylindriske kulstof elektroder (tre oftest) springet , som tilvejebringer elektrisk strøm og tillader de meget høje temperaturer, der kræves for de ønskede reaktioner, der skal nås (ca. 3 000  ° C i regionen den elektriske lysbue , ved spidsen af ​​elektroderne).

Det opnåede silicium opsamles i "lommer" i flydende tilstand takket være åbninger lavet i diglen: hanehullerne. Siliciumstøbning er i modsætning til ferrosilicium en kontinuerlig støbning.

Det raffineres derefter i disse lommer ved at injicere luft og ilt for at oxidere aluminium og calcium .

Derefter adskilles den fra "  slaggen  " ( oxider produceret i de forskellige faser af processen og føres sammen med siliciumet), før den størknes:

• enten ved støbning i ingots eller på en plan overflade;
• eller ved vandgranulering (det flydende silicium hældes derefter i vand, og siliciumdråberne størkner til små granuler: en relativt delikat operation).

De mellemliggende reaktioner, der fører til reduktion af silicium, producerer også et meget fint støv af amorf silica , som medfølges af de varme gasser (hovedsageligt luft og kuldioxid ), der udsendes af ovnen; i moderne installationer filtreres disse gasser for at opsamle dette amorfe silica-støv, der bruges som tilsætningsstof i højtydende beton .

Afhængigt af anvendelsen anvendes silicium i form af stykker (produktion af aluminium-siliciumlegeringer) eller i form af pulver opnået ved formaling (produktion af siliconer).

Silicium til elektronik opnås fra elektrometallurgisk silicium, men kræver et kemisk trin (oprensning udført på silaner), derefter et sæt fysiske oprensninger, inden de enkelte krystaller trækkes.

Forberedelse til elektronikindustrien