Внеземное стекло в России, почему мы живём в «кремниевом веке», чем горный хрусталь отличается от стеклянного, кого и как заманивают в США, что оставили на Луне, из чего состоит инопланетная жизнь глазами фантастов и как множество простых агентов в совокупности приобретают новое качество.
Пришло время рассказать о кремнии: свойствах, применении, производстве, запасах и ценах.
Свойства
Кремний (Si) является металлоидом или полуметаллом. Выглядит как металл, но хрупок и плохо проводит электричество. При этом проводимость кремния можно изменить добавлением бора, фосфора, мышьяка и галлия.
Самое распространённое соединение в земной коре – диоксид кремния (кремнезём) может принимать форму песка, стекла, а также драгоценных и полудрагоценных камней (горного хрусталя, опала, яшмы, аметиста, агата и других). К слову, горный хрусталь и обычный хрусталь (или точнее, хрустальное стекло), несмотря на практически одинаковое название, являются совершенно разными соединениями. Последний, помимо диоксида кремния, содержит ещё оксид свинца (который и обеспечивает более высокое преломление и дисперсию).
Славянское слово «кремень» имеет очень древние корни и буквально означает «режущий камень». Между прочим, карбид кремния является одним из самых твёрдых веществ на Земле (9-9,5 по шкале Мооса, при этом у самого твёрдого - алмаза, он равен 10).
В основу английского наименования «силикон» также положено слово «камень».
Кремний нетоксичен, однако вдыхание мелких частиц в течение длительного времени может вызвать серьёзное поражение лёгких, известное как силикоз (профессиональное заболевание камнетёсов).
Применение
Использование кремния настолько широко, что перечислить все направления его использования не представляется возможным. Остановимся только на самых важных.
Наиболее массовое применение диоксида кремния – строительство. Является основным компонентом стекла, бетона, растворов, кирпичей и других строительных материалов. О том, из чего сделано жильё в России, мы рассказывали здесь.
Он же является главным материалом керамических изделий. Его добавляют в автомобильные шины (повышает износостойкость), зубную пасту и многие другие потребительские товары.
Кроме того, кремнезём используется в качестве удобрения, например, при выращивании риса и садовых культур.
Сплав кремния и алюминия (силумин) востребован в автомобилестроении, производстве сантехнических изделий и бытовой техники. В то время как сплав кремния и железа (ферросилиций) необходим для электротехнической стали.
Упоминавшийся карбид кремния используется для производства абразивов и высокопрочной керамики.
Синтетические полимеры на основе кремния («силиконы»), помимо всего прочего, применяются для изготовления имплантантов, герметиков и жаропрочных изоляторов.
Однако наименование «кремниевого века» наше время (пришедшее на смену «каменному», «медному», «бронзовому» и «железному») получило по другой причине.
Элементарный кремний высокой степени очистки используется для изготовления полупроводниковых электронных компонентов (транзисторов, интегральных схем, диодов, ЖК-дисплеев и т. д.), которыми «начинены» современные смартфоны и компьютеры. Они и стали признаком наступления новой эры.
Также кремний используется в лазерах и фотоэлементах солнечных батарей.
Кремниево-кристаллические графитовые аккумуляторы являются бюджетной альтернативой литий-ионным.
Наконец, по информации НАСА, во время первой высадки астронавтов на Луну на поверхности был оставлен кремниевый диск диаметром менее 4 см. На нём золотом выгравировано 73 сообщения от разных стран мира. Правда, разглядеть их можно только в микроскоп.
Производство
Основными коммерческими формами кремния являются ферросилиций (чёрная металлургия) и металлический кремний (полупроводниковая промышленность, производство чипов, фотоэлементов, силуминов). Соотношение 60:40 в пользу первого (в пересчёте на кремний).
Основными производителями ферросилиция являются Китай, Россия и Норвегия, в то время как металлический кремний производится главным образом в Китае, Бразилии и Норвегии.
Общий расклад по ведущим странам представлен на графике.
Китай производит 68% мирового кремния, идущая следом Россия – более 7%.
По последним доступным данным, Россия является нетто-экспортёром ферросилиция.
С августа 2022 года в США действует закон, предоставляющий производителям чипов налоговые льготы, гранты на производство и инвестиции в научные исследования в области полупроводников. Основная цель – переманить ведущих производителей из Тайваня и Европы. Этот закон может иметь долгоиграющие глобальные последствия.
Запасы
Кремний является вторым по распространённости элементом в земной коре (после кислорода) и восьмым во Вселенной. Собственно, земная кора - это более чем на 90% силикатные материалы (в первую очередь диоксид кремния).
Кремний составляет 28% массы земного шара. Соответственно, ни о каком дефиците говорить не приходится.
В то же время встречается он почти всегда в виде соединений. Выделение кремния высокой степени очистки требует существенных затрат и связано с весомой экологической нагрузкой. Впрочем, многие эко-активисты, ратующие за солнечную энергетику, предпочитают закрывать на это глаза.
Природные кристаллы чистого кремния (размером 0,3 мм) выбрасываются в составе газа из вулкана Кудрявый на российском острове Итуруп. О нём мы рассказывали здесь.
Цены
2022 год ознаменовался резким повышением цен на Si. Средняя цена на ферросилиций (содержание кремния 75%) составила $7,72 за 1 кг, в то время как цена металлического кремния - $8,82 за кг.
Для сравнения: в 2020 году цены на указанные материалы составили $1,92 и $2,14, соответственно.
В 2023 году цена несколько просела. В последних числах июня ферросилиций торгуется на биржах в Китае по $7,15.
Тектиты
Одной из самых загадочных форм диоксида кремния (с различными включениями) являются тектиты – разноцветные стеклянные тела размером от 1 мм (микротектиты) до нескольких сантиметров.
Большая часть учёных уверена, что они образовались при падении больших метеоритов. В результате удара куски земного кремнезёма расплавились, были выброшены в атмосферу и по мере охлаждения выпадали на поверхность.
Однако есть те, кто настаивают на их полностью внеземном происхождении. Апологеты этой теории получили неожиданную поддержку в виде тектитового дождя, выпавшего в Нижегородской области в 1990-х годах.
Россыпи тектитов также обнаружены в Красноярском крае, Калужской области, на Чукотке и в Казахстане (кратер Жаманшин).
Инопланетная жизнь глазами фантастов
Если на Земле основой органической материи является углерод, то в инопланетных формах жизни многие писатели-фантасты отвели эту роль кремнию.
Учёные сильно сомневаются в подобной вероятности (хотя и не исключают её). Реакционная способность кремния слишком высокая, а кроме того, если это было бы возможно, ничто не мешало этой форме жизни развиваться на Земле.
Несмотря на то что потребность в Si у многих живых организмов достаточно существенна (особо выделяются одноклеточные диатомовые водоросли, создающие клеточный панцирь из кремнезёма), заменить углерод он не может. По крайней мере, на земной поверхности.
Роевой интеллект
Роевой интеллект (swarm intelligence или SI) – одно из направлений развития искусственного интеллекта, которое предполагает коллективное взаимодействие множества относительно простых и недорогих роботизированных агентов (болидов).
В природе схожий принцип используется в муравейниках, пчелосемьях, косяках рыб или стаях птиц.
Основными сферами применения, как ожидается, станут: медицина (диагностика и лечение), ремонт оборудования (в том числе в космосе и химически агрессивной среде), поиск выживших под завалами после землетрясений, исследование местности (в том числе инопланетной), утилизация отходов и другие.
Одна из областей, в которой удалось добиться наибольшего продвижения, – производство микро- и наноботов, естественно, на основе кремния. Данные устройства могут применяться при чистке аккумуляторных батарей, проверке коммуникаций, а также в нейробиологии.
Размер уже разработанных ботов составляет 70 мкм (1000 мкм = 1 мм). Они дёшевы и могут производиться миллионами.
Возможно, вам также будет интересно:
Если узнали что-то новое, просьба оставить лайк. Если есть что добавить, пишите комментарий. Подпишитесь на канал, и мы обещаем ещё много интересного.
