《化学元素知识》元素的故事（14）硅元素：开启一个时代的钥匙——硅元素
说起硅元素，大家都不陌生，从璀璨夺目的水晶到用途广泛的半导体，它既是人们心爱的珍品，也是科学家掌上的宠儿。作为地球地壳中含量最多的天然矿物质元素，它又有着怎样传奇的故事呢？
水晶之魂——石英&二氧化硅到硅元素的发现
人类认识硅的历史可以追溯到远古时代，自从人类学会如何正确使用火，就开始将黏土放入熊熊火焰中烧制成陶器，黏土的主要成分正是二氧化硅。在地壳中，硅元素是含量最多的天然矿物质元素，其含量仅次于氧。
虽然在后世发现，硅单质稳定且不容易氧化，但是硅本身是亲氧元素，经过千万年的氧化，地壳中几乎不存在单质的硅，所以硅元素基本都以二氧化硅和硅酸盐的形式存在。
二氧化硅以各种形态存在于自然界中，而其中有一种闪闪发亮的透明晶体，我们叫它石英。小块的石英随处可见，沙土中很容易就可以找到，但是大块的、透明的石英则弥足珍贵，我们称这种石英为水晶。
纯净的水晶是无色透明的，它晶莹剔透、斑斓夺目，但是如果其中含有其它元素杂质，就会呈现出各种美丽的颜色。如果水晶中含有少量的锰元素，就会呈现紫色，这就是带有神秘色彩的紫水晶；如果水晶中含有少量碳元素，就会成为黑色而几乎不透明的黑水晶；如果含有铁元素则会变成十分稀有的绿水晶。
水晶和钻石一样，自古就是权贵者们的最爱，人们想方设法想要复制美丽的水晶，期望从中牟取暴利，但往往都以失败告终。
时间来到近代。1787年，拉瓦锡在对比石英和水晶的元素差异时确定，水晶与石英是同一种物质，并认识到石英中含有一种元素，以前未曾发现过的元素。他将其命名为silice，翻译过来就是石英。
之后在1808年，戴维信心满棚的宣布他发现了四种元素的迹象，石英里的元素是其中之一，因为他相信这种新元素是一种金属元素，所以他将这种新元素命名为silicium。
其实戴维在尝试了碳还原法等方法后并没有得到单质硅。在他之后，1811年盖吕萨克先制得了四氟化硅，然后他尝试用钾去还原它，得到了一些无定形硅，但实在是不纯，无法进一步作分析研究。
1817年，英国化学家托马斯·汤姆森提出硅应该是一种非金属，因为硅缺少金属族元素的一些基本特性，所以他建议用silicon这个名字，类似碳的carbon和硼的boron，这个名字一直沿用至今。
1823年，经过之前几位科学家的研究作为铺垫，最终还是贝采尼乌斯完成了突破，他用钾还原氟硅酸钾，得到了一团棕色粉末，他将粉末反复冲洗，最终得到了较纯净的无定形硅。地球上第二多的元素终于见天日了。
无定形硅类似无定形碳（就像水晶与钻石），虽然化学家们知道水晶的结构类似钻石，但是水晶毕竟是二氧化硅，不是纯硅的晶体，他们还是迫切的想看看较纯净的硅晶体是什么样的。
一直到了发现硅元素31年之后，1854年，法国人德维尔将无定形硅跟氯化钠、氯化铝混合，然后电解，第一次得到了较纯的晶体硅。
开启计算机时代大门的钥匙——晶体硅
晶体硅在发现之后的一段时期并没有受到“重用”，熔点高，硬度比石英都差，导电型也不如金属，看似一无是处。但马上人们就发现，它可以与其他金属制成合金，从而提高金属性能。
硅制成的合金主要包括：硅铝合金、硅铜合金、硅铁合金、硅锰合金等。
这类合金具有较好的耐腐蚀性能和中等的机加工性能，导电性好、具有中等强度和硬度、塑性较低，用于制造中低强度的形状复杂的铸件，如盖板、电机壳、托架等，也用作钎焊焊料。
随后又根据硅的无机性能和一些材料的有机性能相结合，发明了有机硅化合物材料。其具备了表面张力低、粘温系数小、压缩性高、气体渗透性高等基本性质，并具有耐高低温、电气绝缘、耐氧化稳定性、耐候性、难燃、憎水、耐腐蚀、无毒无味以及生理惰性等优异特性，主要应用于密封、粘合、润滑、涂层、表面活性、脱模、消泡、抑泡、防水、防潮、惰性填充等。
而硅真正的爆发式使用还要说到它卓越的半导体性能，正是硅将人们带到了计算机时代的门前，为我们推开了计算机时代的大门。
首先科学家们让氯化氢和粗硅粉反应生成氯硅烷，然后让氯硅烷在氢气气氛的还原炉中还原沉积，就得到了比较纯净的硅晶体，纯度可以达到99.99%。这种硅晶体虽然已经如此纯净，但是其内部存在很多种结晶方向，不是一整块大晶体，称为多晶硅。随后科学家在此基础上继续熔融，将一块比较规则的种子晶体慢慢浸入硅熔体中，让硅单质在上面“生长”得到了完美的“单晶硅”，纯度可达99.9999%。
20世纪60年代，人们发现只要在硅晶体中掺入极微量的第三主族元素，比如硼，或者第五主族元素，比如磷或砷，硅就会表现出很活跃的半导体性能。这让之前一直默默无闻的硅元素一下子走上了科学技术最前沿的大舞台上，一直到现在。
不得不说，世界上很多伟大的发明都来自战争的影响，为了完成二战期间复杂的导弹弹道计算，宾夕法尼亚大学莫尔电机工程学院的莫希利提出研制电子计算机的想法。并于1946年2月14日，世界上第一台现代电子数字计算机埃尼阿克(ENIAC)，正式诞生。它的问世正式开启了计算机时代。
1947年，美国贝尔实验室发明了晶体管，并在1953年取代了计算机中的电子管，这就是第二代计算机。第二代计算机更加小型化，能耗降低，计算能力提高到每秒10万次以上。
1958年，美国人基尔比用半导体做出了全新的集成电路。他的发明迅速被美国空军采用，并继而被应用到电子计算机中，他还因此获得了2000年诺贝尔物理学奖。
基于基尔比、诺伊斯的发明，1971年，英特尔公司的费金工程师制造出了世界上第一只商品化的CPU微处理器：Intel 4004，它被称为“超大规模集成电路”，第四代计算机时代正式到来！
时间流逝，科技发展，计算机的运算速度越来越快，也越来越小巧，过去谁能想到28吨的埃尼阿克能变成现在的手提电脑呢？唯一不曾改变的是，他们都有一颗“硅”的心脏。