Il silicio è veramente onnipresente, ma non viene quasi mai trovato come elemento libero in natura. Invece, si verifica principalmente come biossido di silicio, più comunemente noto come sabbia o quarzo, o in minerali silicati, generalmente nel trovato nelle forme di argilla o roccia. Fu inizialmente proposto che la sabbia silicea fosse probabilmente l’ossido di un elemento precedentemente sconosciuto da Antoine Lavoisier nel 1787. Nel 1808, Sir Humphry Davy chiamò questo ipotetico elemento “silicium”, combinando il latino silex, che significa pietra, con la tradizionale terminazione spesso data agli elementi metallici. Il nome fu cambiato in silicio nel 1817, poiché il finale-on suggeriva la sua più stretta relazione con gli elementi non metallici boro e carbonio, ma fu solo nel 1823 che il chimico svedese Jons Jacob Berzelius riuscì finalmente a preparare silicio amorfo puro e come primo a farlo fu dato credito per “scoprire” l’elemento.

La stragrande maggioranza del silicio utilizzato commercialmente non viene mai separata dai materiali in cui si trova naturalmente, che spesso vengono lavorati in modo abbastanza minimo prima dell’uso. Le argille di silicato vengono utilizzate per produrre ceramiche bianche come la porcellana e nella realizzazione di mattoni ceramici e cemento utilizzati come materiali da costruzione. La roccia contenente silicato come il granito viene utilizzata direttamente in applicazioni strutturali e decorative e la sabbia silicea mescolata con ghiaia e cemento produce calcestruzzo. La sabbia è anche ampiamente utilizzata come abrasivo e come riempitivo in plastica, gomma e vernici. Inoltre, la terra diatomee, una forma di roccia silicea costituita da resti fossili di diatomee, ha molte applicazioni commerciali dirette, specialmente come assorbente, mezzo di filtrazione, abrasivo delicato e pesticida naturale.

I prodotti al silicio più raffinati rappresentano una porzione molto minore dell’utilizzo commerciale del silicio, ma sono comunque estremamente importanti dal punto di vista economico. La sabbia silicea comune è il punto di partenza per la produzione di una varietà di prodotti di silice raffinati, altri composti di silicio, leghe contenenti silicio e silicio elementare a vari livelli di purezza, che svolgono tutti ruoli significativi nell’industria. I paragrafi seguenti forniscono una panoramica delle principali categorie di impieghi finali del silicio, ma non costituiscono un elenco esaustivo.

Silicio in leghe

Il silicio è comunemente usato come elemento di lega. La sabbia silicea viene ridotta con carbonio in presenza di ferro per produrre ferrosilicio, che può quindi essere utilizzato in acciai contenenti silicio. Nel ferro fuso, il silicio aiuta a mantenere il contenuto di carbonio entro limiti ristretti richiesti per un determinato grado di acciaio. Utilizzato in quantità maggiori, come nell’acciaio elettrico, il silicio influenza favorevolmente la resistività e le proprietà ferromagnetiche del materiale.

Per l’uso in leghe non ferrose, il silicio metallurgico viene prodotto facendo reagire silice ad alta purezza con carbonio in un forno ad arco elettrico. Le leghe di silicio non ferrose più comuni sono leghe di alluminio-silicio. Le proporzioni appropriate di alluminio e silicio producono un materiale che presenta pochissima contrazione termica durante la solidificazione, rendendolo ideale per le applicazioni di fusione. Il silicio metallurgico-grado inoltre è usato come agente legante secondario in una serie di altre leghe progettate per le applicazioni specializzate.

Ceramica ad alta resistenza

Prodotta per la prima volta sinteticamente nel diciannovesimo secolo, il nitruro di silicio è noto alla scienza da circa il tempo del carburo di silicio, ma ha comunque intrapreso un percorso molto più lento verso lo sfruttamento commerciale. Il potenziale del nitruro di silicio come materiale refrattario è stato riconosciuto per la prima volta negli anni ‘ 50, e infatti il materiale è stato utilizzato come legante nella ceramica di carburo di silicio, un uso che continua in una certa misura oggi. Tuttavia, le ceramiche di nitruro di silicio puro si sono dimostrate estremamente difficili da fabbricare e i primi metodi di produzione hanno portato a materiali con proprietà meccaniche meno che ideali o inaffidabili, o hanno utilizzato metodi di produzione che limitavano gravemente i tipi di parti che potevano essere prodotte. Oggi, i componenti ceramici in nitruro di silicio sinterizzato possono essere prodotti con eccellenti proprietà meccaniche, ma ciò richiede nanopolveri di nitruro di silicio estremamente puri e condizioni di produzione controllate con precisione, entrambe le quali contribuiscono all’elevato costo di questo materiale. Questi materiali hanno un’eccellente resistenza agli urti e sono stati utilizzati in piccoli componenti del motore. Inoltre, il nitruro di silicio può essere utilizzato per produrre cuscinetti a sfera in grado di tollerare ambienti corrosivi, alte temperature di esercizio e bassa lubrificazione, il tutto con prestazioni migliori e un peso inferiore rispetto alle alternative.

I sialoni, ceramiche prodotte con ossido di alluminio, nitruro di silicio e talvolta ossidi di terre rare, sono stati sviluppati per la prima volta in risposta alle difficoltà nella produzione di ceramiche di nitruro di silicio sinterizzato. Esistono molte variazioni sui sialoni, poiché variazioni nelle composizioni iniziali e nelle tecniche di produzione possono produrre materiali con proprietà molto diverse, che derivano da differenze nella struttura cristallina. Alcune di queste variazioni mantengono molte delle proprietà desiderabili del nitruro di silicio, fornendo anche il vantaggio di processi di produzione più facili. Altre variazioni sono formulate per fornire proprietà aggiuntive, come la conduttività elettrica o la resistenza ai danni in ambienti chimici specifici. Attualmente, i sialon sono utilizzati principalmente in utensili da taglio e componenti di macchine industriali sottoposti a condizioni estreme.

Le proprietà dei semiconduttori del carburo di silicio sono note fin dai primi anni del XX secolo, quando il materiale trovò impiego nei rilevatori radio e nei primi LED. Tuttavia, questi e molti altri usi sono stati sviluppati nei primissimi giorni dei dispositivi a semiconduttore e da allora sono stati sviluppati materiali alternativi con proprietà più adatte a queste applicazioni, spostando in gran parte il carburo di silicio dalle sue funzioni storiche. La ricerca che sviluppa il carburo di silicio come semiconduttore da allora si è concentrata esplicitamente sullo sfruttamento dei suoi punti di forza, che includono la sua capacità di eseguire ad alte temperature e in forti campi elettrici. Queste proprietà teoricamente consentono la produzione di dispositivi elettronici molto più piccoli, più veloci, più efficienti dal punto di vista energetico e più tolleranti al calore di quanto sia possibile con le tradizionali tecnologie a base di silicio. Inizialmente le difficoltà nella produzione di cristalli di carburo di silicio senza difetti hanno ostacolato lo sviluppo di sofisticate elettroniche in carburo di silicio, ma i diodi e i transistor funzionali al carburo di silicio sono ora disponibili in commercio e lo sviluppo di queste tecnologie è in corso.

Il nitruro di silicio amorfo, che può essere prodotto in strati sottili utilizzando la deposizione chimica da vapore, è un materiale importante nella produzione di circuiti integrati, dove viene utilizzato strutturalmente come isolante elettrico o strato protettivo di passivazione o come maschera di incisione nel processo di lavorazione. Inoltre, i nitruri di silicio drogati vengono studiati per l’uso come semiconduttore in dispositivi come i LED e sia il nitruro di silicio che il sialon possono essere drogati per produrre fosfori.

Vetri della silice

Nell’uso comune, il vetro si riferisce al vetro della soda-calce, un vetro a base di silice prodotto fondendo la sabbia del quarzo con il carbonato di sodio, la calce, il dolmite e l’ossido di alluminio. Questo è il vetro comunemente usato nei vetri delle finestre e nei contenitori per bevande. La maggior parte degli altri prodotti comunemente noti come vetro sono anche a base di silice, ma hanno composizioni diverse destinate a produrre proprietà favorevoli per usi specifici. Ad esempio, gli occhiali al borosilicato, spesso venduti sotto il nome di Pyrex, contengono ossido di boro, sono notevoli per la loro superiore capacità di resistere agli shock termici e sono utilizzati per vetreria da laboratorio, pentole domestiche e componenti ottici. Il vetro alluminosilicato, un’altra varietà comune, viene utilizzato nel materiale composito in fibra di vetro e nel vetro infrangibile utilizzato per parabrezza di veicoli ad alta velocità e, sempre più, superfici vetrate esposte su dispositivi elettronici portatili come telefoni cellulari.

In alternativa, il vetro può essere prodotto da biossido di silicio puro senza aggiunta di altri composti. Il materiale risultante è noto come quarzo fuso, e rispetto al vetro di calce sodata è più forte, ha migliori proprietà ottiche e resiste meglio agli shock termici. Si scioglie anche a una temperatura molto più alta. Questa proprietà, anche se spesso desiderabile, lo rende notevolmente più costoso da produrre rispetto ad altri tipi di vetro. Viene quindi utilizzato principalmente per applicazioni che richiedono queste proprietà migliorate, che includono la produzione di componenti ottici di precisione come lenti e fibre ottiche di alta qualità, maschere per fotolitografia e materiali refrattari per l’uso in laboratori ad alta temperatura e processi industriali.

Quarzo sintetico

Il quarzo è un materiale piezoelettrico naturale che trova uso negli oscillatori a cristallo utilizzati per segnare il tempo negli orologi e nei dispositivi digitali e per standardizzare la frequenza nei dispositivi a radiofrequenza. Il quarzo per questo uso è generalmente prodotto sinteticamente dalla sabbia silicea, in quanto ciò consente l’ingegneria di precisione delle proprietà cristalline.

Siliconi

I siliconi sono polimeri organici-inorganici misti costituiti generalmente da una spina dorsale silicio-ossigeno collegata a gruppi laterali idrocarburici. Variando i gruppi idrocarburici presenti, le lunghezze della catena silicio-ossigeno e il grado di reticolazione può produrre una vasta gamma di materiali, dai lubrificanti di olio di silicone alle resine siliconiche dure, ma tutti tendono ad esibire bassa conducibilità termica, reattività chimica e tossicità. L’ampia gamma di consistenze possibili e la facilità di fabbricazione, così come la loro struttura polimerica, richiede il confronto con le materie plastiche a base di idrocarburi, e nei dispositivi domestici i materiali sono talvolta usati in modo intercambiabile. Tuttavia, la bassa tossicità e l’elevata stabilità termica dei prodotti in silicone consentono una gamma più ampia di usi in pentole e dispositivi medici. I siliconi sono inoltre utilizzati per isolamento elettrico e termico, adesivo, sigillante, lubrificanti industriali, solvente per lavaggio a secco e prodotti per la cura personale.

Ultra elevata purezza del silicio nell’elettronica e nel fotovoltaico

Nonostante il fatto che il wafer di silicio utilizzato in dispositivi a semiconduttore rappresenta solo una piccola frazione di sfruttamento commerciale dell’elemento, questa applicazione è quello più intimamente legato al pubblico concezioni di silicio, la sua influenza sulla vita moderna è stata profonda. Sebbene né i primi circuiti integrati (germanio) né le prime celle solari (selenio) contenessero silicio, per la maggior parte della storia di entrambe le industrie, il silicio ad alta purezza è stato il materiale semiconduttore indiscutibilmente dominante.

Per applicazioni di circuiti integrati, anche piccoli difetti cristallini interferiscono con piccoli percorsi circuitali, rendendo necessario l’uso di silicio monocristallino. Questo materiale viene prodotto utilizzando il processo di crescita del cristallo Czochralski, che richiede una crescita lenta di un singolo cristallo enorme da silicio fuso ad alta purezza in un ambiente attentamente controllato. I circuiti integrati sono costruiti utilizzando sottili wafer tagliati da questi cristalli, come lo sono le celle fotovoltaiche al silicio ad alta efficienza. Altri dispositivi a semiconduttore generalmente non richiedono silicio monocristallino, ma richiedono ancora elevata purezza per controllare le proprietà elettriche del materiale. Il silicio amorfo o policristallino ad alta purezza si trova nella maggior parte delle celle fotovoltaiche al silicio e in alcuni altri dispositivi a semiconduttore di grandi dimensioni.

Prodotti di silice sintetica

Esistono molte forme di ossido di silicio sintetico, tra cui silice precipitata, silice colloidale, gel di silice, silice fumata e fumi di silice. Anche se ogni prodotto è principalmente biossido di silicio, ciascuno è prodotto come risultato di un diverso processo industriale, e variano in dimensione delle particelle. Comunemente, questi prodotti sono impiegati come agenti abrasivi lievi, agenti antiagglomeranti o addensanti negli alimenti, assorbenti o come materiale di riempimento in materie plastiche, gomme, siliconi o cemento, anche se gli usi finali precisi variano a seconda della forma.

Il gel di silice è la forma di silice sintetica più familiare ai consumatori. Queste perle microporose della silice sono trovate comunemente in piccoli pacchetti di carta che hanno incluso nell’imballaggio di varietà di prodotti per assorbire l’umidità in eccesso. Le stesse proprietà di assorbimento sono sfruttate per l’uso nella lettiera per gatti. Il gel di silice inoltre è utilizzato nei laboratori di chimica come fase stazionaria per la cromatografia o, una volta modificato con i gruppi funzionali legati covalentemente, come agente riducente o chelante.