El silicio es verdaderamente omnipresente, pero casi nunca se encuentra como elemento libre en la naturaleza. En cambio, se presenta principalmente como dióxido de silicio, más comúnmente conocido como arena o cuarzo, o en minerales de silicato, generalmente en las formas de arcilla o roca. Se propuso por primera vez que la arena de sílice era probablemente el óxido de un elemento previamente desconocido por Antoine Lavoisier en 1787. En 1808, Sir Humphry Davy llamó a este hipotético elemento «silicium», combinando el latín silex, que significa piedra, con el final tradicional de ium que a menudo se da a los elementos metálicos. El nombre fue cambiado a silicio en 1817, ya que el final-on sugería su relación más cercana con los elementos no metálicos boro y carbono, pero no fue hasta 1823 que el químico sueco Jons Jacob Berzelius finalmente logró preparar silicio amorfo puro y, como el primero en hacerlo, se le dio crédito por «descubrir» el elemento.

La gran mayoría del silicio utilizado comercialmente nunca se separa de los materiales en los que se produce de forma natural, que a menudo se procesan de forma bastante mínima antes de su uso. Las arcillas de silicato se utilizan para producir cerámica blanca, como porcelana, y en la fabricación de ladrillos cerámicos y cemento utilizados como materiales de construcción. Las rocas que contienen silicato, como el granito, se utilizan directamente en aplicaciones estructurales y decorativas, y la arena de sílice mezclada con grava y cemento produce hormigón. La arena también se usa ampliamente como abrasivo y como relleno en plásticos, caucho y pinturas. Además, la tierra de diatomeas, una forma de roca de sílice que consiste en restos fosilizados de diatomeas, tiene muchas aplicaciones comerciales directas, especialmente como absorbente, medio de filtración, abrasivo suave y pesticida natural.

Los productos de silicio más refinados representan una porción mucho menor del uso comercial de silicio, pero sin embargo son extremadamente importantes económicamente. La arena de sílice común es el punto de partida para la producción de una variedad de productos de sílice refinada, otros compuestos de silicio, aleaciones que contienen silicio y silicio elemental en varios niveles de pureza, todos los cuales desempeñan un papel importante en la industria. Los párrafos siguientes ofrecen una visión general de las principales categorías de usos finales del silicio, pero no constituyen una lista exhaustiva.

Silicio en aleaciones

El silicio se usa comúnmente como elemento de aleación. La arena de sílice se reduce con carbono en presencia de hierro para producir ferrosilicio, que luego se puede usar en aceros que contienen silicio. En el hierro fundido, el silicio ayuda a mantener el contenido de carbono dentro de los límites estrechos requeridos para un grado de acero dado. Utilizado en grandes cantidades, como en el acero eléctrico, el silicio influye favorablemente en la resistividad y las propiedades ferromagnéticas del material.

Para su uso en aleaciones no ferrosas, el silicio de grado metalúrgico se produce reaccionando sílice de alta pureza con carbono en un horno de arco eléctrico. Las aleaciones de silicio no ferroso más comunes son las aleaciones de aluminio y silicio. Las proporciones apropiadas de aluminio y silicio producen un material que exhibe muy poca contracción térmica durante la solidificación, lo que lo hace ideal para aplicaciones de fundición. El silicio de grado metalúrgico también se utiliza como agente de aleación menor en varias otras aleaciones diseñadas para aplicaciones especializadas.

Cerámica de alta resistencia

Producida por primera vez de forma sintética en el siglo XIX, el nitruro de silicio ha sido conocido por la ciencia durante casi tanto tiempo como el carburo de silicio, pero sin embargo tomó un camino mucho más lento hacia la explotación comercial. El potencial del nitruro de silicio como material refractario se reconoció por primera vez en la década de 1950, y de hecho el material llegó a ser utilizado como aglutinante en cerámica de carburo de silicio, un uso que continúa hasta cierto punto hoy en día. Sin embargo, la cerámica pura de nitruro de silicio resultó extremadamente difícil de fabricar, y los primeros métodos de producción dieron lugar a materiales con propiedades mecánicas menos que ideales o poco confiables, o usaron métodos de producción que limitaron severamente los tipos de piezas que se podían producir. Hoy en día, los componentes cerámicos de nitruro de silicio sinterizado se pueden producir con excelentes propiedades mecánicas, pero esto requiere nanopolvo de nitruro de silicio extremadamente puro y condiciones de fabricación controladas con precisión, lo que contribuye al alto costo de este material. Estos materiales tienen una excelente resistencia a los golpes y se han utilizado en componentes de motores pequeños. Además, el nitruro de silicio se puede utilizar para producir rodamientos de bolas que pueden tolerar entornos corrosivos, altas temperaturas de funcionamiento y baja lubricación, a la vez que funcionan mejor y pesan menos que las alternativas.

Los sialones, cerámicas producidas con óxido de aluminio, nitruro de silicio y, a veces, óxidos de tierras raras, se desarrollaron por primera vez en respuesta a las dificultades para producir cerámicas de nitruro de silicio sinterizado. Existen muchas variaciones en los sialones, ya que las variaciones en las composiciones iniciales, así como en las técnicas de producción, pueden producir materiales con propiedades muy diferentes, que resultan de las diferencias en la estructura cristalina. Algunas de estas variaciones conservan muchas de las propiedades deseables del nitruro de silicio, a la vez que proporcionan el beneficio adicional de procesos de producción más fáciles. Otras variaciones están formuladas para proporcionar propiedades adicionales, como conductividad eléctrica o resistencia al daño en entornos químicos específicos. Actualmente, los sialons se utilizan principalmente en herramientas de corte y componentes de máquinas industriales sometidos a condiciones extremas.

Las propiedades semiconductoras del carburo de silicio se conocen desde principios del siglo XX, cuando el material se usó en detectores de radio y en los primeros led. Sin embargo, estos y varios otros usos se desarrollaron en los primeros días de los dispositivos semiconductores, y desde entonces se han desarrollado materiales alternativos con propiedades más adecuadas para estas aplicaciones, desplazando en gran medida al carburo de silicio de sus funciones históricas. Desde entonces, la investigación que desarrolla el carburo de silicio como semiconductor se ha centrado explícitamente en explotar sus fortalezas, que incluyen su capacidad para funcionar a altas temperaturas y en campos eléctricos fuertes. Estas propiedades teóricamente permiten la producción de dispositivos electrónicos mucho más pequeños, más rápidos, más eficientes energéticamente y más tolerantes al calor que los que son posibles con las tecnologías tradicionales basadas en silicio. En un principio, las dificultades para producir cristales de carburo de silicio sin defectos dificultaron el desarrollo de sofisticados dispositivos electrónicos de carburo de silicio, pero los diodos y transistores funcionales de carburo de silicio están ahora disponibles en el mercado, y el desarrollo de estas tecnologías está en curso.

El nitruro de silicio amorfo, que se puede producir en capas delgadas mediante deposición química de vapor, es un material importante en la fabricación de circuitos integrados, donde se utiliza tan estructuralmente como un aislante eléctrico o una capa protectora de pasivación, o como una máscara de grabado en el proceso de mecanizado. Además, se están investigando nitruros de silicio dopados para su uso como semiconductores en dispositivos como LED, y tanto el nitruro de silicio como el sialón pueden doparse para producir fósforos.

Vidrios de sílice

En el uso común, el vidrio se refiere al vidrio sosa-cal, un vidrio a base de sílice producido por la fusión de arena de cuarzo junto con carbonato de sodio, cal, dolmita y óxido de aluminio. Este es el vidrio comúnmente utilizado en cristales de ventanas y recipientes de bebidas. La mayoría de los otros productos comúnmente conocidos como vidrio también están basados en sílice, pero tienen composiciones diferentes destinadas a producir propiedades favorables para usos específicos. Por ejemplo, los vidrios de borosilicato, a menudo vendidos bajo el nombre de Pyrex, contienen óxido de boro, son notables por su capacidad superior para soportar el choque térmico y se utilizan para cristalería de laboratorio, utensilios de cocina domésticos y componentes ópticos. El vidrio de aluminosilicato, otra variedad común, se utiliza en el material compuesto de fibra de vidrio, y en vidrio resistente a roturas utilizado para parabrisas de vehículos de alta velocidad y, cada vez más, superficies de vidrio expuestas en dispositivos electrónicos portátiles como teléfonos móviles.

Alternativamente, el vidrio se puede producir a partir de dióxido de silicio puro sin agregar otros compuestos. El material resultante se conoce como cuarzo fundido y, en comparación con el vidrio de cal sódica, es más fuerte, tiene mejores propiedades ópticas y resiste mejor el choque térmico. También se derrite a una temperatura mucho más alta. Esta propiedad, aunque a menudo deseable, hace que sea considerablemente más costoso de producir que otros tipos de vidrio. Por lo tanto, se utiliza principalmente para aplicaciones que requieren estas propiedades mejoradas, que incluyen la producción de componentes ópticos de precisión, como lentes y fibras ópticas de alta calidad, máscaras de fotolitografía y materiales refractarios para su uso en procesos industriales y de laboratorio de alta temperatura.

Cuarzo sintético

El cuarzo es un material piezoeléctrico natural que se usa en osciladores de cristal utilizados para marcar el tiempo en relojes y dispositivos digitales, y para estandarizar la frecuencia en dispositivos de radiofrecuencia. El cuarzo para este uso generalmente se produce sintéticamente a partir de arena de sílice, ya que esto permite una ingeniería de precisión de las propiedades del cristal.

Siliconas

Las siliconas son polímeros orgánicos-inorgánicos mixtos que generalmente consisten en una columna vertebral de silicio-oxígeno conectada a grupos laterales de hidrocarburos. La variación de los grupos de hidrocarburos presentes, las longitudes de cadena de silicio-oxígeno y el grado de reticulación pueden producir una amplia gama de materiales, desde lubricantes de aceite de silicona hasta resinas de silicona duras, pero todos tienden a exhibir baja conductividad térmica, reactividad química y toxicidad. La amplia gama de consistencias posibles y la facilidad de fabricación, así como su estructura polimérica, inducen a la comparación con los plásticos a base de hidrocarburos, y en los dispositivos domésticos, los materiales a veces se usan indistintamente. Sin embargo, la baja toxicidad y la alta estabilidad al calor de los productos de silicona permiten una gama más amplia de usos en utensilios de cocina y dispositivos médicos. Las siliconas se utilizan además para aislamiento eléctrico y térmico, adhesivos, selladores, lubricantes industriales, solventes de limpieza en seco y productos de cuidado personal.

Silicio de ultra alta pureza en electrónica y energía fotovoltaica

A pesar del hecho de que el silicio de obleas utilizado en dispositivos semiconductores representa solo una pequeña fracción del uso comercial del elemento, esta única aplicación es la más íntimamente ligada a las concepciones públicas del silicio, ya que su influencia en la vida moderna ha sido profunda. Aunque ni los primeros circuitos integrados (germanio) ni las primeras células solares (selenio) contenían silicio, durante la mayor parte de la historia de ambas industrias, el silicio de alta pureza ha sido el material semiconductor indiscutiblemente dominante.

Para aplicaciones de circuitos integrados, incluso pequeños defectos de cristal interfieren con pequeñas rutas de circuitos, lo que requiere el uso de silicio monocristalino. Este material se produce utilizando el proceso de crecimiento de cristales de Czochralski, que requiere un crecimiento lento de un único cristal enorme a partir de silicio fundido de alta pureza en un entorno cuidadosamente controlado. Los circuitos integrados se construyen utilizando obleas delgadas cortadas de estos cristales, al igual que las células fotovoltaicas de silicio de mayor eficiencia. Otros dispositivos semiconductores generalmente no requieren silicio monocristalino, pero aún requieren alta pureza para controlar las propiedades eléctricas del material. El silicio amorfo o policristalino de alta pureza se encuentra en la mayoría de las células fotovoltaicas de silicio y en algunos otros dispositivos semiconductores de gran área.

Productos de sílice sintética

Hay muchas formas de óxido de silicio sintético, que incluyen sílice precipitada, sílice coloidal, gel de sílice, sílice pirógena y humo de sílice. Aunque cada producto es principalmente dióxido de silicio, cada uno se produce como resultado de un proceso industrial diferente, y varían en tamaño de partícula. Comúnmente, estos productos se emplean como agentes abrasivos suaves, agentes antiaglomerantes o espesantes en alimentos, absorbentes o como material de relleno en plásticos, cauchos, siliconas o cemento, aunque los usos finales precisos varían según la forma.

El gel de sílice es la forma de sílice sintética más familiar para los consumidores. Estas perlas de sílice microporosas se encuentran comúnmente en pequeños paquetes de papel que se incluyen en el embalaje de una variedad de productos para absorber el exceso de humedad. Las mismas propiedades de absorción se aprovechan para su uso en la arena para gatos. El gel de sílice también se utiliza en laboratorios de química como fase estacionaria para cromatografía o, cuando se modifica con grupos funcionales unidos covalentemente, como agente reductor o quelante.