¡¡¡Qué horror…ha vuelto el Silicio!!!

He de reconocer que la noticia no me ha hecho ni chispa de gracia. Si hay un elemento químico que me llevó por la calle de la amargura durante mis años en la Facultad de Químicas fue, como no, el Silicio…y ahora resulta que va a ser el elemento del futuro….y no mi añorado Carbono.

De todas formas yo siempre he tenido la mosca detrás de la oreja desde que los guionistas de la serie “Star Trek” nos mostraron a la tripulación del “U.S.S. Enterprise” acudiendo al planeta “Janus IV” para ayudar a los mineros amenazados por “el Horta”, una extraña forma de vida basada en el Silicio.

Además, y como se describe en la autopsia del primer vector del monstruo en “Alien: el octavo pasajero” de Ridley Scott, su sangre, formada por “ácido molecular”, podía circular por el interior de su cuerpo sin destruir los tejidos gracias a las estructuras polisiliconadas de sus conducciones. También el empleo de estas siliconas en el recubrimiento externo le permitía sobrevivir en una amplia variedad de ambientes… incluyendo el “vacío espacial”.

Mi odiado Silicio siempre estaba ahí, agazapado. Durante años me hizo la vida imposible en diversas asignaturas. Química Orgánica, Química Analítica, Química Inorgánica…en todas aparecía, de una forma u otra, ese elemento con una configuración electrónica y una teoría del enlace tan especial que no había forma de entenderlo…

Era un elemento químico metaloide del montón, con un número atómico tristísimo (14) y situado nada menos que en el grupo 4 de la tabla periódica de los elementos formando parte, eso sí, de la familia de los carbonoideos….como una sanguijuela.

Hay que reconocerle que es el segundo elemento más abundante en la corteza terrestre después del Oxígeno pero sus propiedades son intermedias entre las del Carbono y el Germanio…siempre entre dos aguas.

Además no podemos encontrarlo en estado libre en la naturaleza, sino que se encuentra en forma de dióxido de silicio y de silicatos complejos.

Por último, sus características compartidas con el Carbono, como no ser metal propiamente dicho, poder construir compuestos parecidos a las enzimas (zeolitas), otros compuestos largos con oxigeno (siliconas) y poseer los mismos cuatro enlaces básicos, le confiere cierta oportunidad en llegar a ser base de seres vivos, aunque no sea en la Tierra, en una bioquímica hipotética…¡¡lo que faltaba!!…nos querían vender al Silicio como un elemento químico que podía formar parte de la vida alienígena.

En cuanto a sus aplicaciones, durante mucho tiempo el Silicio se ha utilizado en aleaciones y, debido a que es un material semiconductor muy abundante, tiene un interés especial en la industria electrónica y microelectrónica como material básico para la creación de obleas o chips que se pueden implantar en transistores, pilas solares y una gran variedad de circuitos electrónicos; por esta razón se conoce como Silicon Valley (Valle del Silicio) a la región de California en la que concentran numerosas empresas del sector de la electrónica y la informática.

Pero afortunadamente jamás el Silicio despertó la admiración de nadie…ya teníamos al Carbono…todo un clásico.

La rivalidad entre ambos inquilinos de la Tabla Periódica, Carbono y Silicio, viene de lejos. Hasta ahora siempre había ganado el Carbono pero, en los últimos años, la búsqueda de nuevos materiales para su uso en el sector industrial, ha recrudecido la lucha. La culpa de todo ello la tienen dos nuevos materiales: el Grafeno, formado a partir de átomos de Carbono, y el Siliceno, en cuya estructura dominan los átomos de Silicio.

Lámina de Grafeno

Recientemente el Carbono pareció ganar la batalla de los nuevos materiales cuando hace unos meses se le concedió el Premio Nobel de Física del 2010 a dos investigadores, Andre Geim y Konstantin Novoselov, que realizaron los primeros experimentos sobre el Grafeno, una lámina bidimensional de átomos de carbono.

El Grafeno es un material de muchos superlativos, es el mejor conductor de la electricidad a temperatura ambiente y el material más duro jamás probado. También es un excelente conductor del calor ,transparente y flexible.

La estructura del Grafeno era única (o al menos eso creían muchos), consistiendo en una única capa de átomos de carbono entrelazados en un patrón hexagonal, parecido al de un panal de abejas. Gracias a esta estructura los electrones se comportan como si no tuvieran masa, moviéndose hacia adelante a velocidades de un millón de metros por segundo y confiriéndole propiedades muy especiales como su transparencia y su dureza que han sido aprovechadas por los ingenieros para desarrollar de todo, desde pantallas táctiles hasta células solares de materiales estructurales ligeros….en definitiva, el Grafeno, y por tanto el Carbono, le habían vuelto a mojar la oreja a mi amigo el Silicio.

Pero el hecho de emplear Carbono (en forma de Grafeno) en la industria electrónica presentaba un inconveniente…la mayoría de los componentes electrónicos de los chips actuales están hechos con Silicio….y esto fue el detonante para que algunos investigadores malignos se pusiesen a buscar alternativas al Grafeno mirando al vecino de debajo de la Tabla Periódica…el Silicio.

Debido a ello en 2007, Lok Lew Yan Voon y Gian Guzmán-Verri, ambos de la Wright State University en Dayton (Ohio), se propusieron buscar la forma de crear un material similar al Grafeno pero que emplease como “ladrillos” básicos átomos de Silicio.

Sin embargo, se encontraron con un inconveniente: el Silicio, por sí solo, es incapaz de formar la estructura típica del Grafeno ya que no tiene de forma natural el tipo de enlaces necesarios para emularlo…parecía que nuestro querido Carbono iba a mantener su supremacía…pero no.

Estructura hexagonal del Siliceno

Con el objetivo de solucionar este inconveniente, diferentes investigadores de diversas instituciones comenzaron a trabajar para superar esta dificultad. Entre ellos destacan dos grupos de investigación, un grupo japonés y otro francés…ya estamos con las rivalidades…cosa que no siempre es negativo para el avance de la ciencia.

La primera muestra de Siliceno, así han bautizado a la nueva estrella de los materiales, se consiguió depositando los átomos de Silicio sobre una superficie de material cerámico que hacía las veces de soporte, y fue obtenida por investigadores del Japan Advanced Institute of Science and Technology en Ishikawa… o eso dicen ellos.

Estos investigadores observaron mediante Rayos X que el Siliceno tenía la misma estructura hexagonal de panel de abeja del Grafeno, presentando también una estructura sólida pero obtenida a partir de átomos de Silicio.

Por otra parte, un grupo de investigación de la Universidad de Provence en Marsella, también estaba tras la pista del Siliceno. Aunque no han conseguido desarrollar láminas delgadas de Siliceno, sí que pueden crear barras sólidas de ese material, que muestran la estructura interna hexagonal buscada.

Por si fuese poco, en el último congreso de la American Physical Society, estos grupos han demostrado que el nuevo material también comparte con el Grafeno buena parte de sus propiedades electrónicas. Mediante técnicas espectroscópicas se ha demostrado que el Siliceno posee una estructura de bandas electrónicas similares a las que, en el Grafeno, permiten a los electrones moverse velozmente por su interior.

Así las cosas, parece que la colaboración entre estos dos equipos podría por fin proporcionar Siliceno en grandes cantidades. Uno de los secretos del éxito puede ser utilizar plata en reemplazo de la cerámica…o estos grupos se pelean como es de costumbre…o me temo que el Siliceno está a punto de caramelo.

Y así ha sido como, de pronto, cuando nadie se lo esperaba, el Silicio ha renacido y, a través del Siliceno, un nuevo material destinado a revolucionar el mercado de los microcomponentes y que puede sustituir al Grafeno, le da la vuelta a la tortilla.

A pesar de que no estoy preparado para el regreso de mi elemento maldito, el Silicio, el futuro pinta muy negro para el Carbono…

Diferentes investigadores están trabajando para poner a punto un proceso industrial adecuado para producir Siliceno en grandes cantidades y a un coste bajo.

Si lo logran, hay muchas posibilidades de que el Grafeno pase a mejor vida¡¡¡a los pocos meses de haberle concedido un Premio Nobel!!!

Si Don Alfred Nobel levantara la cabeza…

Jose

Nota: Con esta entrada participo en el Carnaval de la Química, que durante este mes celebra su cuarta edición en el blog de JM Mulet “Los productos naturales, ¡vaya timo!“, y en el en el Carnaval de la Física, que este mes festeja su XVIII edición en el blog “La Aventura de la Ciencia“.

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14 respuestas a ¡¡¡Qué horror…ha vuelto el Silicio!!!

  1. Pingback: ¡¡¡Qué horror…ha vuelto el Silicio!!! (reflexiones)

  2. JoseBrox dijo:

    Jejeje, muy divertido y bastante ilustrativo.

    Leí hace tiempo por qué una química “orgánica” basada en el silicio realmente no era factible, pero no lo recuerdo. ¿Sería por la debilidad de sus enlaces covalentes? (Igual podrías añadirlo… Y así debilitamos al _maldito_ Silicio ;P)

  3. Dani dijo:

    Bueno, Jose Brox, y acuérdate de lo del arsénico de hace unos meses 🙂

    Gran artículo, Jose López. 🙂

  4. Tato dijo:

    Muy interesante. Y el friky que llevo dentro me ha hecho adorar la introducción ^^.
    Gracias por vuestra divulgación.

  5. Buen artículo y además, escrito con alegría y humor. ¡El Silicio! Nos quedan muchas sorpresas que vendrán, precisamente, de la mano de este elemento. ¡No! No creo que sea idóneo para la vida tan como la conocemos. Sin embargo, puede ser el material ideal para esa otra forma de vida que, seguramente algún día (y a pesar de que sea nuestra obra su aparación en la Tierra), nos sobrepase.

    Una vida basada en el silcio puede que esté más acorde con lo que se necesita para viajar a las estrellas, y, poder soportar viajes de duración impensable para los humanos. La vida de silicio sólo sería artificial y, con todo lo que eso conlleva, poco tenemos que pensar para darnos cuenta de que, ahí posiblemente estará el futuro de los verdaderos visitantes aventureros del espacio y de otros mundos. Unos Robots de metal y Silicio que no tendrán problemas con radiaciones nosivas ni con enfermedades y otras cargas que nosotros sí arrastramos.

    En fin, a mí, particularmente me gustará seguir siendo como soy y que el Carbono sea la base de mi ser. Sin embargo, no todos piensan de la misma manera. Tengo un amigo que suspira por tener un cerebro espintrónico. ¡Hay gente para todo!

    Me quedo con el Carbono, sin embargo, no dejo de reconocer las ventajas del Silicio.

  6. Refiriéndonos al silicio, señalaré que las “moléculas” que dicho átomo forma con el oxígeno y otros átomos, generalmente metálicos poseyendo gran nivel de información, difieren en varios aspectos de las moléculas orgánicas, es decir, de las que poseen un esqueleto de átomos de carbono.

    El mundo de los silicatos es de una gran diversidad, existiendo centenares de especies minerológicas. Esas diferencias se refieren fundamentalmente a que el enlace químico en el caso de las moléculas orgánicas es covalente, y cuando se forma la sustancia correspondiente (cuatrillones de moléculas) o es un líquido, como es el caso de los aceites, o bien un sólido que funde fácilmente. Entre las moléculas que lo forman se ejercen unas fuerzas, llamadas de Van der Waals, que pueden considerarse como residuales de las fuerzas electromagnéticas, algo más débiles que éstas. En cambio, en los silicatos sólidos (como en el caso del topacio) el enlace covalente o iónico no se limita a una molécula, sino que se extiende en el espacio ocupado por el sólido, resultando un entramado particularmente fuerte.

    Al igual que para los cristales de hielo, en la mayoría de los silicatos la información que soportan es pequeña, aunque conviene matizar este punto. Para un cristal ideal así sería en efecto, pero ocurre que en la realidad el cristal ideal es una abstracción, ya que en el cristal real existen aquí y allá los llamados defectos puntuales que trastocan la periodicidad espacial propia de las redes ideales. Precisamente esos defectos puntuales podían proporcionar una mayor información.

    Si prescindimos de las orgánicas, el resto de las moléculas que resultan de la combinación entre los diferentes átomos no llega a 100.000, frente a los varios millones de las primeras. Resulta ranozable suponer que toda la enorme variedad de moléculas existentes, principalmente en los planetas rocosos, se haya formado por evolución de los átomos, como corresponde a un proceso evolutivo. La molécula poseería mayor orden que los átomos de donde procede, esto es, menor entropía. En su formación, el ambiente se habría desordenado al ganar entropía en una cierta cantidad tal, que arrojarse un balance total positivo.

    No puedo dejar pasar la oportunidad, aunque sea de pasada, de mencionar las sustancias.

    Las así llamadas, son cuerpos formados por moléculas idénticas, entre las cuales pueden o no existir enlaces químicos. Veremos varios ejemplos. Las sustancias como el oxígeno, cloro, metano, amoníaco, etc, se presentan en estado gaseoso en condiciones ordinarias de presión y temperatura. Para su confinamiento se embotellan, aunque existen casos en que se encuentran mezcladas en el aire (os podéis dar una vueltecita por el polo químico de Huelva).

    En cualquier caso, un gas como los citados consiste en un enjambre de las moléculas correspondientes. Entre ellas no se ejercen fuerzas, salvo cuando colisionan, lo que hacen con una frecuencia que depende de la concentración, es decir, del número de ellas que están concentradas en la unidad de volumen; número que podemos calcular conociendo la presión y temperatura de la masa de gas confinada en un volumen conocido.

    Decía que no existen fuerzas entre las moléculas de un gas. En realidad es más exacto que el valor de esas fuerzas es insignificante porque las fuerzas residuales de las electromagnéticas, a las que antes me referí, disminuyen más rápidamente con la distancia que las fuerzas de Coulomb; y esta distancia es ordinariamente de varios diámetros moleculares.

    Podemos conseguir que la intensidad de esas fuerzas aumente tratando de disminuir la distancia media entre las moléculas. Esto se puede lograr haciendo descender la temperatura, aumentando la presión o ambas cosas. Alcanzada una determinada temperatura, las moléculas comienzan a sentir las fuerzas de Van der Waals y aparece el estado líquido; si se sigue enfriando aparece el sólido. El orden crece desde el gas al líquido, siendo el sólido el más ordenado. Se trata de una red tridimensional en la que los nudos o vértices del entramado están ocupados por moléculas.

    Todas las sustancias conocidas pueden presentarse en cualquiera de los tres estados de la materia (estados ordinarios y cotidianos en nuestras vidas del día a día).

    Si las temperaturas reinantes, es de miles de millones de grados, el estado de la materia es el plasma, el material más común del universo, el de las estrellas (aparte de la materia oscura, que no sabemos ni lo que es, ni donde está, ni que “estado” es el suyo).

    En condiciones ordinarias de presión, la temperatura por debajo de la cual existe el líquido y/o sólido depende del tipo de sustancia. Se denomina temperatura de ebullición o fusión la que corresponde a los sucesivos equilibrios (a presión dada) de fases: vapor ↔ líquido ↔ sólido. Estas temperaturas son muy variadas, por ejemplo, para los gases nobles son muy bajas; también para el oxígeno (O2) e hidrógeno (H2). En cambio, la mayoría de las sustancias son sólidos en condiciones ordinarias (grasas, ceras, etc).

    Las sustancias pueden ser simples y compuestas, según que la molécula correspondiente tenga átomos iguales o diferentes. El número de las primeras es enormemente inferior al de las segundas.

    El concepto de molécula, como individuo físico y químico, pierde su significado en ciertas sustancias que no hemos considerado aún. Entre ellas figuran las llamadas sales, el paradigma de las cuales es la sal de cocina. Se trata de cloruro de sodio, por lo que cualquier estudiante de E.G.B. escribiría sin titubear su fórmula: Cl Na. Sin embargo, le podríamos poner en un aprieto si le preguntásemos dónde se puede encontrar aisladamente individuos moleculares que respondan a esa composición. Le podemos orientar diciéndole que en el gas Cl H o en el vapor de agua existen moléculas como individualidades. En realidad y salvo casos especiales, por ejemplo, a temperaturas elevadas, no existen moléculas aisladas de sal, sino una especie de molécula gigante que se extiende por todo el cristal. Este edificio de cristal de sal consiste en una red o entramado, como un tablero de ajedrez de tres dimensiones, en cuyos nudos o vértices se encuentran, alternativamente, las constituyentes, que no son los átomos de Cl y Na sino los iones Cl- y Na+. El primero es un átomo de Cl que ha ganado un electrón, completándose todos los orbitales de valencia; el segundo, un átomo de Na que ha perdido el electrón del orbital s.

    Cuando los átomos de Cl y Na interaccionan por aproximarse suficientemente sus nubes electrónicas, existe un reajuste de cargas, porque el núcleo de Cl atrae con más fuerza los electrones que el de Na, así uno pierde un electrón que gana el otro. El resultado es que la colectividad de átomos se transforma en colectividad de iones, positivos los de Na y negativos los de Cl. Las fuerzas electromagnéticas entre esos iones determinan su ordenación en un cristal, el Cl Na. Por consiguiente, en los nudos de la red existen, de manera alternativa, iones de Na e iones de Cl, resultando una red mucho más fuerte que en el caso de que las fuerzas actuantes fueran de Van der Waals. Por ello, las sales poseen puntos de fusión elevados en relación con los de las redes moleculares.

  7. Alvaro Sanabria H. dijo:

    Cordial saludo a todos.
    Me encuentro gratamente sorprendido por este articulo y por todos los que aquí opinan. a los expertos Jose Manuel Lopez y Emilio Silvera, mi reconocimiento por la fluida catedrar cátedra y por hacer masticables y digeribles, temas tan complejos como estos, para neófitos como yo, no obstante quiero añadir que en el proceso tecnológico que hoy vivimos estos adelantos solo son la materia prima con la que en el futuro inmediato, se fabricaran nuevas sustancias que le darán nuevos sabores y texturas al placer que da la cocina de la investigación y el desarrollo.
    Como siempre mi mensaje emblemático. ” Sigan trabajando, que el trabajo nunca se pierde”

    Alvaro Sanabria H.

  8. María dijo:

    Sé que esto es de hace más de un año, pero descubrí el blog hace unos días y estoy leyendo todas las entradas que has publicado hasta ahora (creo que no hace falta que añada como me llamó la atención e impactó tu forma de escribir y divulgar). Esta tarde me encontré con esto que puede que ayude a tu “lucha” contra el silicio 😛

    http://phys.org/news/2012-06-nanoporous-graphene-outperform-commercial-desalination.html

    Gracias por compartir con nosotros tu conocimiento 🙂

  9. gusa dijo:

    Gran debate, realmente veo que son dos expertos en el conocimiento de materiales.

    en cuanto la lucha en grafeno (carbono) o Siliceno (silicio) ¿Porque deberian ser uno u otro? No podrian ambos ser producidos y utilizados segun sus propiedades cada uno para fines tecnicos o productos?

    gracias!!

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