O que é silício e por que os microchips são feitos desse material?

Por Redação

O silício é um dos constituintes fundamentais do universo. Ele foi isolado pela primeira vez em 1824 por um químico sueco chamado Jons Jacob Berzelius. Em uma forma pura, o silício tem uma estrutura cristalina e ocupa o 14º lugar na tabela periódica, onde está escrito como Si.

Mas, além disso, esse elemento também é um dos principais componentes do mundo eletrônico, a base para todos os processadores presentes nos computadores atuais, e se isso não for o bastante, ele também é um provável candidato para ser base da vida alienígena.

Mas o que torna o silício um material tão especial a ponto de emprestar o seu nome para o Vale do Silício, região da Califórnia (EUA) dominada por empresas de tecnologia? Confira alguns motivos:

Silício como material de construção

Em primeiro lugar, o silício é fácil de achar. Depois do oxigênio, ele é considerado o segundo elemento mais abundante na crosta da Terra e quase sempre aparece em um composto com outros elementos. É comumente encontrado como um silicato (SiO4, ou um átomo de silício ligado a quatro átomos de oxigênio) e de sílica (SiO2, ou um átomo de silício ligado a dois átomos de oxigênio). O composto químico dióxido de silício, também conhecido como sílica, de uma forma grosseira e altamente contaminada, é o componente primário da areia. Feldspato, granito, quartzo, entre outros materiais, são baseados em compostos de silício-oxigênio.

Os compostos de silício têm uma ampla variedade de propriedades úteis, principalmente porque eles podem se ligar firmemente a outros átomos e criar arranjos complexos. Vários silicatos, como o silicato de cálcio, são os principais componentes do cimento Portland, um tipo de cimento muito utilizado na construção civil por sua resistência.

Alguns materiais ricos em silicatos podem ser aquecidos para produzir cerâmicas endurecidas, como a porcelana. Além disso, o silício também pode ser útil como aditivo de rastreio de outras substâncias, como o ferro fundido, que usa o carbono e o silício para fazer um ferro mais resistente. O carboneto de silício (SSiC) tem praticamente as mesmas propriedades de um diamante e controla a corrosão, abrasão e a erosão de forma hábil já que suporta o desgaste por fricção. Por fim, mas não menos importante, o silício também é o principal componente estrutural do silicone sintético.

Silício nos chips de computador

Ao selecionar um elemento que será usado como base de um transistor de computador, a palavra-chave é resistência. Condutores têm baixa resistência e passam adiante a corrente elétrica com mais facilidade, enquanto isoladores têm (previsivelmente) alta resistência e podem bloquear o fluxo de elétrons. Para um transistor, que deve ser capaz de ligar e desligar a todo momento, é preciso ter um semicondutor, uma substância com resistência que fique entre a de um condutor e a de um isolador.

O silício não é a única substância semicondutora da Terra – na verdade ele sequer é o melhor semicondutor existente – mas ele é, de longe, o semicondutor mais abundante do planeta. O silício pode ser prontamente encontrado em todo o mundo; não é preciso importá-lo de minas africanas especiais, por exemplo. É fácil trabalhar com esse elemento e, mais importante, os cientistas descobriram uma forma confiável de cultivá-lo em cristais perfeitamente ordenados.

O cultivo desses cristais de silício quase perfeitos é uma das habilidades primárias na fabricação de chips de computadores. Esses cristais são cortados em pequenas fatias chamadas wafers e, em seguida, recebem diversos tipos de polimentos e tratamentos químicos antes de serem cortados de forma individual e embalados na forma de processador.

Wafer de silício

Engenheiro segurando um wafer de silício (Imagem: Reprodução / Intel)

Atualmente, os cristais de silício (chamados de "lingotes") são feitos em cilindros de 300 milímetros de diâmetro, mas pesquisadores estão tentando criar lingotes de 450 milímetros. Isso deve ajudar a manter os baixos custos de produção por pelo menos alguns anos. Depois disso, pode ser que haja a necessidade de escolher um elemento menos abundante e fácil de trabalhar para criar os processadores – uma boa notícia para quem espera mais velocidade de processamento, mas provavelmente uma má notícia para o seu bolso.

Silício como forma de vida alienígena

A "vida baseada em carbono" é uma frase que circula por todo o mundo, mas o que faz o carbono tão importante para a vida? Basicamente, as principais moléculas estruturais que compõem o corpo humano (proteínas, aminoácidos, ácidos nucleicos, entre outros) são construídos com átomos de carbono. Isso porque o átomo de carbono é tetravalente.

A tetravalência do carbono é sua propriedade de formar quatro ligações covalentes, ou seja, ele disponibiliza quatro elétrons ligantes. O oxigênio, por exemplo, só pode formar duas ligações químicas estáveis ao mesmo tempo (como a água, H2O), e o nitrogênio apenas três (levando assim a amônia, NH3), mas o carbono pode segurar até quatro átomos diferentes de uma só vez (como o metano, CH4). A tetravalência é uma base poderosa para a construção de moléculas que são ao mesmo tempo fortes e geometricamente complexas e que as virtudes químicas permitiram a evolução de toda a vida conhecida atualmente no universo.

No entanto, se soubermos como a tabela periódica é organizada, sabemos que elementos em uma coluna vertical têm propriedades químicas semelhantes – e logo abaixo do carbono está o silício. É por isso que autores de ficção científica utilizam a ideia de vida baseada no silício; sendo tetravalente, o silício é o elemento estrutural alternativo mais plausível para outras formas de vida.

Horta

A Horta, uma forma de vida fictícia baseada em silício do universo Star Trek (Jornada nas Estrelas)

É claro que, com o silício sendo mais abundante na crosta terrestre do que o carbono, deve haver uma razão para sermos orgânicos (vida baseada em carbono) e não baseados em silício. Sem entrar em muitos detalhes, elementos que estão verticalmente mais abaixo da tabela periódica têm núcleos mais pesados e conchas de elétrons maiores, o que os tornam menos adequados para tarefas extrafinas como, por exemplo, a recombinação de DNA. Outro ponto importante é que o silício é menos reativo do que o carbono, ou seja, a vida baseada em silício poderia ser quimicamente menos diversificada.

O fato da vida na Terra ser orgânica pode ser uma indicação de como a vida acontece fora daqui. Há uma abundância de espécies no nosso planeta que usam o silício de uma forma ou de outra, mas nenhuma o usa como elemento estrutural do DNA. A vida baseada no silício é certamente possível, mas se ela realmente existe, há uma boa chance de que nunca seja capaz de progredir para o nível de complexidade que o carbono permite na Terra.

Silício e o futuro da computação

Há alguns anos, a IBM deu o primeiro passo para a substituição do silício e a comercialização dos novos chips ao trabalhar com nanotubos de carbono e agora outras empresas estão seguindo essa linha para vencer as limitações do silício. As simulações feitas sugerem que o nanotubo de carbono pode ser cinco vezes mais rápido que um de silício usando a mesma quantidade de energia.

Já a Intel apontou recentemente o semicondutor lll-V, tal como o arsenieto de gálio, como substituto mais provável para o silício na indústria tecnológica. Este semicondutor possui elétrons maiores do que os de silício, o que significa que eles podem ser formados de maneira mais rápida, com velocidade maior de comutação de transistores.

Com a evolução tecnológica e novas descobertas, é bem possível que o silício fique para trás – mas não em menos de 20 anos. De qualquer forma, ele continuará sendo uma das substâncias mais importantes para o progresso do domínio humano no mundo físico.

Via Extreme Tech

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