Кремний
Писатели-фантасты часто придумывали далёкие миры, населённые странными и совершенно непохожими на нас существами. А как придумать образ того, чего или кого никто пока ещё не видел? Можно, например, вообразить какое-нибудь нелепое нагромождение огромных глаз, длинных щупалец и всё это непременно зелёного цвета, но таких монстров рисовали ещё средневековые художники. Однако если бы литераторы на заре своей юности не прогуливали уроки химии, то они бы знали о Периодическом законе, и отличная идея образа космического пришельца с лёгкостью пришла бы им в голову: достаточно лишь посмотреть, какой элемент в таблице Менделеева находится под углеродом! Ведь если у нас всё многообразие жизни основано на углероде, то почему бы инопланетной жизни не взять себе за основу похожий на него по своим свойствам элемент с номером 14? Впрочем, если на Земле он и не стал основой биологической жизни, то в одном ему удалось отыграться: он стал основой жизни виртуальной. Сегодня речь пойдёт о кремнии.
Металлический кремний. Фото: MATTEO BITTANTI/Flickr.com CC BY-NC 2.0
Фантазии по поводу кремниевых инопланетных форм жизни вовсе не так фантастичны, как кажется на первый взгляд. Несмотря на то, что пока единственно известная нам форма живой материи основана на углеродных цепочках и жидкой воде, нет каких-либо принципиальных ограничений к существованию альтернативной «биохимии». На эту тему известный астрофизик и популяризатор науки Карл Саган высказывался в духе, что сама идея того, что жизнь везде должна быть такой же, как на Земле, есть не что иное, как самый настоящий «углеродный шовинизм». Быть может, это самый научный из всех «измов», заполонивших в последнее время наше виртуальное и реальное пространство.
Фрагмент радиотелескопа обсерватории Аресибо, с которого 16 ноября 1974 года было послано зашифрованное послание для внеземных цивилизаций. Фото: Chris Amelung/Flickr.com CC BY 2.0
Тем не менее, жизнь на Земле выбрала в качестве своего основного строительного материала именно углерод, оставив для кремния роль биологического неудачника: атомы кремния не входят в состав биологических молекул, да и клетки совсем не горят желанием использовать кремний в своей повседневной жизни. Хотя есть, конечно, и весьма интересные исключения, вот на них и остановимся поподробнее. Начнём с таких простых и, казалось бы, неинтересных одноклеточных, как амёбы. В представлении большинства амёбы – существа безвольные и апатичные, способные лишь вытягивать свои ложноножки. Будь они размером с человека, они были бы идеальным пользователем пульта от телевизора.
Амёба. Фото: pitschuni/Flickr.com CC BY-NC-SA 2.0
Однако в реальной жизни некоторые амёбы совсем не так просты, и, в отличие от большинства других живых организмов, они научились с пользой для себя использовать соединения кремния. Существует группа амёб, научившихся конструировать вокруг своей единственной клетки самый настоящий панцирь из мелких чешуек, пластинок и шипов. Одни амёбы предпочитают использовать «импортный» строительный материал, собирая всё, до чего дотянутся их ложноножки. Другие же научились выделять особый секрет, из которого растёт их будущая раковина. Есть и такие, кто комбинирует оба способа, но в любом случае все раковинные амёбы, а именно так они называются, делают свои панцири из соединений кремния. Кстати, найти раковинных амёб можно в болотах и торфяниках – их там почти половина от общей массы микроорганизмов.
Панцирь раковинной амёбы из рода Euglypha. Фото: NEON/Wikimedia Commons CC BY-SA 2.5
Раковинные амёбы отнюдь не единственные члены элитного «кремниевого» клуба микроорганизмов. Туда входят ещё такие знаменитые существа, как цианобактерии. В первую очередь, мы им признательны за то, что в незапамятные времена они насытили атмосферу нашей планеты кислородом. Однако оказалось, что цианобактерии не только владеют искусством фотосинтеза, но ещё умеют минерализовать кремний. Другими словами, они берут из воды растворённые соединения кремния и превращают их в твёрдое вещество – аморфный кремнезём. Как и раковинные амёбы, цианобактерии формируют вокруг себя своеобразные длинные твёрдые чехлы, фактически, настоящие нанотрубки! Высокая концентрация соединений кремния в морской воде губительна для большинства микроорганизмов, кроме цианобактерий, поэтому самоотверженное осаждение ими кремния из воды, создало благоприятные условия для существования других бактерий.
Богатая кремниевой кислотой вода горячих источников нисколько не мешает в ней жить цианобактериям. На фото – гейзер в Йеллоустонском национальном парке. Фото: Flickr.com PD
У других же микроорганизмов существуют большие проблемы с тем, чтобы научиться делать что-то полезное для себя с кремниевыми соединениями. И тут без помощи человека им не справиться. Например, в одном эксперименте человеческие клетки научили есть кремниевые нанопровода. Здесь, впрочем, польза была больше для экспериментаторов, чем для самих клеток. Суть же опыта состояла в следующем: если клетке предложить «скушать» длинную тонкую кремниевую нить, то клетка сначала попробует съесть её, как она это делает с другими более съедобными объектами, и начнёт потихоньку обёртываться вокруг нанонити. Однако нанонить длинная, а растягиваться до бесконечности клетка не может, поэтому в результате получается, что «недоеденные» куски кремниевых проводов просто торчали из клеток. Правда, и съесть кремний по-настоящему клетки тоже не могли, поэтому проглотить то они его проглотили, но вот переварить уже не получилось.
Человеческая клетка, поглощающая кремниевую нанопроволоку. Фото: Zimmerman et al., Science Advances 16 Dec 2016: Vol.2, no. 12, e1601039
Другие исследователи решили не тыкать в несчастные клетки кремниевыми проводами, а заняться более «благородным» делом – научить клеточные ферменты вырабатывать кремний-органические соединения, то есть уже непосредственно использовать кремний в биохимических процессах. Что же, это у них получилось: внеся немного мутаций в белок цитохром, они заставили его создавать химические связи между углеродом и кремнием. В результате бактерии кишечной палочки, в которых осуществили такую мутацию, смогли синтезировать внутри себя настоящую кремний-органику, которую раньше могли делать лишь химики в лабораториях. Правда, что делать с таким «мутантом», исследователи пока не очень придумали.
Генная инженерия позволяет синтезировать вещества не в колбах, а внутри живых клеток. Фото: David Mulder/Flickr.com CC BY-SA 2.0
Но не одни лишь бактерии и человек научились использовать кремний в своих интересах. Даже самой обычной осоке совсем не чужды кремниевые технологии. Как известно, представители этого рода трав имеет характерную особенность – ими можно очень сильно порезаться, хотя листья большинства других растений вполне безопасны в этом плане. При внимательном рассмотрении оказалось, что лист осоки буквально инкрустирован частицами кремнезёма, а на краях листа этот минерал содержится в виде крошечных зубьев, превращая нежный лист в опасную пилу. Кстати, осока совсем не единственное растение, запасающее соединения кремния: одно из первых мест в номинации «самое кремниевое культурное растение» принадлежит топинамбуру, или земляной груше.
Под общим родовым названием «осока» скрывается порядка 2000 отдельных видов растений. На фото: Carex glaucescens. Фото: Adam Arendell/Flickr.com CC BY-NC 2.0
Перед тем как мы перейдём от кремния в живых существах к кремнию неживому, хотелось бы остановиться на одном скорее лингвистическом моменте, чтобы избежать дальнейшей путаницы в терминах. Вы наверняка слышали о Силиконовой долине в США – месте, где зашкаливает концентрация информационных технологий на квадратный метр земли штата Калифорния. И в то же время силикон больше прославился в косметологической отрасли и в качестве материала гибких форм для выпечки. А ещё наши далёкие предки во времена неолита активно использовали кремнёвые топоры и наконечники стрел, которые некоторые называют «кремниевыми». Всё дело в том, что в нашем языке смешалось собственное название элемента кремния, происходящего от «каменного» кремня и перевод названия кремния с английского – Silicon. Эта путаница есть и в устоявшейся химической терминологии, где соли кремниевой кислоты называются силикатами, а органосиланы – это одна из групп кремний-органических соединений. Англичане тоже «намудрили», назвав кремний Silicon, а кремний-органический полимер - Silicone. Первый «силикон» - это именно кремний, из которого делают микросхемы, а второй – тот самый силикон, который имплантируют, когда чего-то не хватает. Разница как между прилагательными «кремнёвый», то есть сделанный из кремня, и «кремниевый» - изготовленным из кремния. Кстати сам кремень – это одна из форм диоксида кремния или, что тоже самое, кремнезёма. Так что не запутайтесь! Теперь же самое время перейти непосредственно к кремнию и к его соединениям: тем самым силиконам и кремнезёмам.
Кремнёвый нож изготовлен совсем не из кремния! Фото: Michal Maňas/Wikimedia Commons CC BY 4.0
Начнём с обычного кремния. Сам по себе кремний – это металл, правда, не совсем обычный. Хоть он и блестит на солнце, но электрический ток проводит неважно, да и нет у него присущей большинству металлов пластичности: тонкие кремниевые пластины не гнутся, а ломаются и крошатся. Однако именно благодаря этому металлу и его уникальным полупроводниковым свойствам мы теперь пользуемся электронными устройствами, потому что внутри каждого гаджета находятся миллионы и миллиарды микроскопических транзисторов на основе кремния. Говорить о полупроводниках можно долго и это отдельная и бескрайняя тема, мы же попробуем не отходить от начального плана и больше рассказывать о самых разных областях, где мы можем встретить этот химический элемент.
Кристалл микропроцессора Intel 80286, выпущенного в 1982 году. Фото: Pauli Rautakorpi/Flickr.com CC BY 2.0
Больше всего кремния валяется у нас буквально под ногами – это самый обычный песок, состоит он, правда, не из чистого кремния, а из соединения кремния с кислородом: диоксида кремния. Хотя диоксид кремния может скрываться под разными названиями, например, его ещё называют кремнезёмом или кварцем. Именно из самого обычного песка получают металлический кремний, из которого потом делают электронные компоненты. Однако если в вашей голове уже возник перспективный замысел по превращению безбрежных песков пустыни Сахара в мегатонны процессоров и солнечных батарей, то придётся вас разочаровать. Основная проблема состоит не в том, чтобы получить кремний из песка, а в том, чтобы потом очистить полученный кремний от всевозможных примесей, которых там окажется очень и очень много. Стадия получения высокочистого кремния для электроники не только сложная и дорогая, но и весьма вредная для окружающей среды, потому что используются опасные и агрессивные вещества. Поэтому производство кремниевых солнечных батарей вовсе не такое «зелёное» и экологичное, как их последующее использование.
Солнечные батареи и аккумуляторы стали синонимом экологически чистой энергетики, но не стоит забывать, что производство кремния и лития – не самые безобидные технологические процессы. Фото: Karen and Brad Emerson/Flickr.com CC BY 2.0
С кремнием и энергетикой связана ещё одна необычная идея. Однажды на химической фабрике в Германии произошло странное событие: порошок из чистого кремния, который для пущей надёжности хранился в атмосфере азота, чтобы уж точно ничего не окислилось и не сгорело, вдруг начал ни с того ни с сего интенсивно с чем-то реагировать. Разгадкой необычного процесса оказался оксид меди, который выступил в роли катализатора реакции кремния с азотом. Без катализатора такая реакция потребовала бы температуры где-то на тысячу градусов выше, чем на любом, даже самом жарком химическом складе. Этим происшествием заинтересовался профессор Норберт Аунер из Франкфурта-на-Майне. Простой расчёт показал, что если из песка получить кремний, а затем «сжечь» его в азоте, то, на удивление, можно остаться с выигрышем в энергии. Другими словами, для получения кремния из песка мы затрачиваем меньше энергии, чем потом выделяется, когда кремний вступает в реакцию с азотом. А дальше всё очевидно: песка на нашей планете хватает с избытком, азота в атмосфере тоже не мало, углекислого газа в ходе реакции не образуется, а значит и глобальное потепление нам не грозит. Так почему бы кремнию не стать топливом будущего? Так что, хоть процесс и не реализован пока на практике, но идея весьма интересная.
Придёт ли когда-нибудь песок на замену нефти и газу? Фото: Marco Verch/Flickr.com CC BY 2.0
Продолжая тему песка, расскажем о двух весьма занятных фактах, с ним связанных. Во-первых, если вам когда-нибудь придётся что-то волочь по песку, то не скидывайте со счетов опыт древних египтян, которые собаку съели на транспортировке массивных грузов через песчаные дюны на свои грандиозные строительные площадки. Чтобы тащить груз по песку было в два раза легче, нужно всего лишь смочить этот песок самой обычной водой. Таскать воду, конечно, тоже придётся, но делать это, египтянам, видимо, было проще, чем волочить многотонные каменные блоки. Известна даже фреска, иллюстрирующая, как 172 человека тянут на санях статую номарха Джехутихотепа, а один льёт воду перед этой внушительной процессией. Как оказалось, совсем не зря!
По мокрому песку проще и тащить груз и ползти самому. Фото: USFWS/Becky Skiba/Flickr.com CC BY 2.0
Переходим ко второму песчаному факту. Здесь вам уже не придётся что-то тащить и поливать водой, зато потребуется внимательность, везение и довольно много работы совком. Если вы когда-нибудь увидите, что молния ударила в мокрый песок, то запомните это место, а как закончится гроза, берите инструмент и бегите откапывать добычу. Так вы сможете потом с гордостью показывать друзьям и знакомым самый настоящий фульгурит или окаменевшую молнию. Дело в том, что попав в песок, молния в буквальном смысле проплавляет себе замысловатые каналы, похожие на корни дерева. Фульгуриты от мощных молний могут уходить в землю на глубину до 5 метров! Однако раскапывать его нужно очень аккуратно – фульгурит очень хрупкий и легко ломается. Кстати говоря, фульгуриты интересны ещё и тем, что могут надёжно хранить в себе частички атмосферы древних времён. Когда молния превращает песок в расплавленное стекло, в нём остаются небольшие пузырьки воздуха, которые там и остаются, когда фульгурит затвердеет. В результате получается надёжно запечатанная склянка с образцом атмосферы, которая может храниться тысячелетиями.
Фульгурит – это спёкшийся от удара молнии диоксид кремния. Фото: yoyoj3d1/Flickr.com CC BY 2.0
Превращать песок в стекло с помощью молний, конечно, весьма занятный процесс, но подходит разве что для штучного «производства». Для изготовления же сложных приборов из стекла и других материалов требуется особое искусство. Вершиной технического стеклодувного мастерства можно назвать эпоху ныне уже практически забытых устройств – радиоламп. Эти без сомнения прекрасные электровакуумные приборы были сердцем всех радиоэлектронных устройств добрую половину двадцатого века, пока не были почти повсеместно вытеснены кремниевыми транзисторами и микропроцессорами. В наши дни радиолампы используются в некоторых специфических областях, где их преимущества до сих пор не могут побороть полупроводники. Да и любители того самого тёплого лампового звука не дают радиолампам отправиться на пыльные полки истории. Сложность же изготовления радиоламп состоит в том, что нужно герметично соединить разные материалы: металл и стекло, стекло и кварц. Например, кварц, состоящий из диоксида кремния, слабо расширяется при нагревании, особенно в сравнении со стеклом. Поэтому если просто сплавить детали из кварца и стекла, то при нагреве в этом месте будут возникать трещины, а радиолампы как раз любят нагреваться во время работы. Чтобы этого не происходило, между кварцем и стеклом делали многослойную прокладку из специальных сортов стекла, которые создавали плавный переход от одного материала к другому.
Радиолампы до сих пор ласкают слух меломанов. Фото: Allen McGregor/Flickr.com CC BY 2.0
В заключении хотелось рассказать о нескольких необычных вещах, которые были созданы благодаря кремнию и кремниевым соединениям. Например, из полидиметилсилоксана или силикона исследователи сделали маленького робота-ската. Для этого на мягкую силиконовую основу они поместили клетки из сердечной мышцы крысы, притом клетки были не простые, а модифицированные методами оптогенетики – их научили реагировать на свет. В результате, когда на такие клетки падал луч света, они сокращались, и по плавникам робоската пробегала волна, имитирующая движение настоящего живого ската. Хотя плавать такой робоскат может только в специальном растворе, в котором хорошо себя чувствуют сердечные клетки, но сам биоинженерный концепт весьма интересный и может быть полезен при создании искусственных органов.
Американский хвостокол (Dasyatis americana), обитающий в субтропических водах западной части Атлантического океана. Фото: Pete/Flickr.com CC BY-NC-ND 2.0
Можно посчитать реологические параметры котиков, вот только что потом с этим делать? Фото: Sarah Ross/Flickr.com CC BY-NC 2.0
