Como otro de los hermanos menores herederos al trono, el silicio estuvo a punto de ser el rey de la Tabla Periódica. ¡Si tan solo…!

Imaginemos sus posibilidades remplazando al carbón como el elemento central de la vida y de la generación de energía, por mencionar solamente dos ejemplos. Al menos eso es lo que nos permite especular la Tabla Periódica. Toda vez que es el vecino más cercano al carbono en la familia 14, también tiene cuatro electrones de valencia que le permiten hacer cuatro enlaces simples, o quizá uno doble y dos simples y otras combinaciones como las del carbono. Pero ocho protones más en el núcleo y los correspondientes ocho electrones más en su periferia, cambian toda la historia. Sus logros en enlaces similares a los del carbono son mucho menores. Forma enlaces simples con otros silicios y cadenas análogas a los alcanos (se puede encontrar hasta el análogo al hexano), enlaces dobles en el análogo al etileno y hay evidencia inequívoca de que forma el enlace triple en analogía con un alquino, pero no tenemos evidencia de que exista la abundante diversidad de compuestos que existen para el caso del carbono. Por otro lado, su hipotética función como combustible inicia con un balance energético que compite con el del carbono: menor fuerza del enlace entre sí (esto es, el enlace Si-Si no guarda tanta energía como el C-C) pero tiene mayor fuerza de enlace con el oxígeno (que recupera más energía cuando se quema). Sin embargo, como sus compuestos no son tan abundantes, su función como combustible es sólo una hipótesis académica. Así, como el silicio sólo puede hacer una pequeña fracción de lo que hace el carbono, inició condenado a ser su hermano menor.

El silicio fue aislado/descubierto como un elemento químico en una época temprana.

El silicio fue aislado/descubierto como un elemento químico en una época temprana. Apenas hace poco que estamos seguros de cuántos elementos químicos pueden existir. Precisamente, la invención de la Tabla Periódica de Mendeléyev permitió esta especulación hace 150 años, y nuestra certeza de que no hay elementos químicos más allá de los que caben en la Tabla es más reciente (descubrimiento del número atómico por Moseley en 1914). Por lo tanto, ahora estamos seguros de que no nos falta descubrir nada que agregar entre los 118 elementos conocidos a la fecha. En el orden cronológico en que estos elementos fueron aislados, el silicio ocupa el lugar 52 (descubierto en 1823), no es de los primeros que son liderados principalmente por los metales de la antigüedad más profunda, pero tampoco de los más recientes purificados o construidos por las técnicas más modernas. Descubrir un elemento en esa época significaba aislarlo y purificarlo de entre los componentes de una sustancia natural, típicamente uno o varios minerales. Antes se empleaban diversos minerales en el caso del silicio, SiO2 (cuando el sólido es granular está en casi cualquier arena, y en la forma de cristal en las distintas clases de cuarzo) o en una forma aún más oxidada como anión, en los silicatos SiO44- y sus variantes.

Silicio policristalino de alta pureza de Freiberg, Alemania.

 

El silicio, casi siempre presente en estos minerales descritos, es muy abundante. De nuevo, en la lista de los 118 elementos conocidos a la fecha, es el octavo más abundante en el universo, el tercero más abundante en la Tierra y el segundo más abundante en la corteza terrestre. Es su enlace extremadamente estable con el oxígeno que hace difícil aislarlo. Berzelius —parcial descubridor de la ley de las proporciones definidas y por tanto de la teoría atómica— aprovechó la ruptura del enlace entre silicio y oxígeno logrado por Davy en 1812 y que permitió sustituir el enlace con oxígeno por uno con flúor, para romper a su vez ese enlace y aislar al silicio en forma elemental.

En sus primeras manifestaciones como elemento puro, el silicio no se distinguió por su utilidad. Pero la invención de lo que ahora llamamos electrónica, cambió su destino y lo convirtió si no en el elemento puro más utilizado por la humanidad en toda su historia (lugar que ocupa el hierro), sí en el elemento puro más usado en aplicaciones de alto valor y el más purificado y perfeccionado en la historia.

Esta propiedad, esencia de la electrónica, produjo la modificación de la vida humana que ha definido nuestra época, llamada el Antropoceno.

El silicio elemental es un semiconductor. A diferencia de los metales, no permite la conducción de corriente cuando el potencial aplicado es pequeño. A diferencia de los aislantes, basta la aplicación de un potencial eléctrico moderado para conducir corriente. En otras palabras, si el potencial es pequeño, impide la conducción; si es mayor, la permite. Esta propiedad, esencia de la electrónica, produjo la modificación de la vida humana que ha definido nuestra época, llamada el Antropoceno. Para usar el silicio como semiconductor en los ingeniosos productos miniaturizados de la modernidad, como los chips que se usan en aparatos electrónicos, se necesita que sea puro y cristalino. Otros elementos o compuestos podrían hacer este trabajo, algunos aún con más eficiencia. Pero la abundancia de minerales de donde se puede extraer el silicio le dio su carácter de mejor alternativa. En los últimos decenios ha evolucionado un complicado proceso de purificación –muy costoso energéticamente– que permite producir masivamente el elemento químico más puro y cristalino de la historia. Se producen millones de toneladas de silicio al año, de las que menos del 10% se usan en la industria electrónica: cientos de miles de toneladas de silicio monocristalino 99.9999999% puro (uno de cada mil millones de átomos en el cristal no es de silicio; en comparación, el oro más puro producido en la historia tiene uno de cada millón de átomos de algo que no es oro).

El hermano menor del carbono, que no pudo competir con él en la formación de las complejas moléculas que permiten la vida, encontró una segunda utilidad en la formación de los complejos ingenios que definen la era digital. Pero aquí no acaba su historia. Una tercera aplicación, también basada en sus propiedades semiconductoras, lo convierte en el candidato más serio para salvar al mundo. Porque el silicio absorbe la radiación electromagnética visible (la luz solar) que excita sus electrones de la misma manera que el potencial eléctrico moderado, y permite la conducción de corriente eléctrica. En esta labor, el silicio forma celdas fotovoltaicas que capturan energía solar y la convierten en energía eléctrica –generación de energía que no produce gases de efecto invernadero, como lo hace la combustión de fósiles–. Se estima que, para evitar el calentamiento global, que amenaza la continuación de la modernidad, tendremos que obtener toda nuestra energía de esta manera. De nuevo, otros materiales pueden hacer este trabajo, pero el silicio es el que nos da mejor rendimiento en términos costo/beneficio. Con la ventaja adicional de que para este trabajo no hace falta silicio con nueve nueves de pureza, vaya, ni siquiera hace falta que sea monocristalino; el silicio sólido policristalino y hasta el sólido amorfo cumplen el cometido.

La esfera más perfecta jamás creada; se estima que su diámetro varía en 0.00008%.

En la actualidad, el silicio sirvió para hacernos otro gran favor. Como es el elemento más puro disponible, y además está disponible en alta cantidad, fue elegido por el Proyecto Avogadro para hacer la definición más moderna del mol, el número de partículas en una unidad de sustancia. Para hacerlo no bastaba con conseguir cierta cantidad de átomos de silicio monocristalino con nueve nueves de pureza; se requirió además que todos fueran del mismo isótopo. En la muestra resultante, uno de cada mil millones de átomos no era de silicio, y uno de cada diez millones de átomos no era del isótopo 28Si. El proyecto produjo, además, la esfera más perfecta jamás creada; se estima que su diámetro varía en 0.00008%.

El silicio no pudo ser el rey, pero sí el digno príncipe de la Tabla Periódica. C2

 

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Sobre el autor

Facultad de Química, UNAM

Profesor e investigador en la Facultad de Química de la UNAM. Ha sido profesor visitante en las Universidades de Cleveland, Berkeley, Harvard y Santiago de Cuba. Investiga, mediante la química computacional, sobre materiales para capturar y almacenar energía. Ha escrito sobre política universitaria (La huelga del fin del mundo, Planeta 2000) y cambio climático (El mundo finito, FCE 2011).

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