硅的冒险：从一粒沙到超级芯片

在我们耳熟能详的童话故事《灰姑娘》里，主人公拥有一双美丽的水晶鞋。但你可能不知道，水晶鞋和路边随意抓起的一把沙子，构成它们的主要成分是差不多的。这是怎么回事呢？让我们来认识一下本期的主角——硅元素。

是沙土，也是水晶

硅在元素周期表中排行第14，化学符号是Si。硅在宇宙中的储量算得上丰富，排在第八位。而在地球上，硅是组成地壳的第二大元素，占据了地壳总质量的26.4%，仅次于老大氧元素。

自然界中，硅元素并不独自出现，最常见的是与氧元素牢牢地捆绑在一起，形成非常稳定的二氧化硅分子，也就是我们随处可见的岩石、砂砾和土壤等。也就是说，硅和氧的化合物，构成了我们所在的地球表面的基础。90% 以上的矿物都是由硅酸盐组成的，地壳中含硅的矿物足有一千多种。

在一片乱石丛中探索，很容易寻找到一些乳白色的小石块；抓起一把沙土，里面经常混杂着半透明的小颗粒，这些都是石英，主要成分是二氧化硅。结晶完美的、纯净度高的石英则十分美丽，被人们称为水晶。纯净的水晶是无色透明的，如果其中掺入别的元素杂质，就会呈现出各种美丽的颜色。比如富有神秘色彩的紫水晶，就是水晶中加入了一点点锰元素。

陶瓷，东方的艺术

以前人类尽管并不知道硅的存在，但很早就开始了“玩泥巴”。

远古时代的人们发现，黏土在被火烧过以后，冷却下来会变成坚硬的陶土。于是他们慢慢摸索出了制作陶器的方法——将黏土根据用途塑造成各种形状，然后用高温烧制，做出各式各样的陶器。

后来，随着制陶技术不断提高，我国古人发现进一步提高烧制的温度，可以将高岭土变成更加洁白的陶器，人们称之为“瓷器”。精美的瓷器渐渐取代了金属制品，成为王公贵族们日常最爱用的器具。后来又随着商路渐渐风靡世界，成为我国的一张名片。景德镇一度成为世界制瓷业的中心。

无论是陶还是瓷，主要成分都是黏土，黏土中含有大量的硅化合物，经过高温和一系列工序，硅化合物发生了化学变化，才形成致密而坚硬的陶瓷。

玻璃制造，西方的接力赛

在公元前三千年的埃及和美索不达米亚地区，人们发现在烧制陶器后，偶尔会出现一些颜色艳丽的半透明石头，这是石英砂和其他一些天然矿熔化后形成的。人们开始探索制作玻璃的方法，将它们做成装饰品和简单的容器。玻璃制造业逐渐兴起。但那时候，玻璃仍然属于比较奢侈的物品。

在我国古代，玻璃出现得较晚，被人们称为“琉璃”。尽管我国古代也生产琉璃制品，但多是作为艺术品观赏，投入的热情远不及陶瓷。

在罗马帝国时期，西方的玻璃制造技术突飞猛进。罗马人剔除了玻璃中的杂质，制造出了透明的原色玻璃，更加通透。玻璃的用途也变得更加广泛，除了制作容器、餐具、镜子，还能做成地砖和窗户。

文艺复兴时期，威尼斯的工匠发明出了高透亮的水晶玻璃，成为玻璃发展史上的里程碑。威尼斯商人将制造水晶玻璃的方法视作秘密，将掌握技术的工人全部集中到一个叫穆拉诺的小岛上，成百上千的玻璃工坊使得穆拉诺成为世界玻璃制造的重镇。

玻璃与近代科学实验之缘

玻璃不容易与其他物质发生反应，也不容易受到其他化学物质的侵蚀，是在化学实验中盛放化学品的理想工具。在西方化学研究兴起之后，玻璃就成了实验室里不可或缺的东西。从试管、搅拌棒、烧瓶到量杯，都是玻璃制成的。那时候的化学家首先要掌握的，说不定是烧制各类玻璃仪器的能力。

而到了17 世纪，随着物理学的发展，透明的玻璃更是被广泛地在用在光学仪器上，比如望远镜和显微镜等。这为人类观察宇宙和微观世界打开了大门，推动了天文学、生物学等学科的发展，极大地拓展了人类的视野和认知边界。近代科学飞速发展起来。

硅的庐山真面目

以上说的，都是人类与含硅矿物打交道的故事，而硅单质的出现则要晚得多1787 年，法国化学家拉瓦锡认为石英中含有一种新元素。此后，一些化学家尝试将这种元素提取出来，但效果都不理想。

1823 年，瑞典科学家贝采利乌斯终于制得了较纯净的无定形硅，这种构造我们大地的元素才终于浮出水面。贝采利乌斯因此被誉为硅元素的发现者。

1854 年，法国化学家德维尔通过电解，制得了晶态硅。这一发现揭示了硅的晶体结构。不过那时候的人们一定不会想到，硅在带来科学启蒙之后，会如何进一步改变我们的世界。

既高端，又平常

硅属于碳族，是一种半金属元素，因此具有介于金属和非金属之间的性质。

纯净的硅晶体本身几乎不导电，但如果掺入极少量的其他元素，就能精准地控制硅的电导率。这与众不同的特性，使它成为绝佳的半导体材料。

半导体的概念很复杂，你只需要知道，各种半导体器件，如二极管、晶体管、集成电路等，是电子产品的心脏和大脑，我们手机、手表里的芯片，电脑里的CPU，网络使用的光纤，都是以硅为基本材料的。

硅元素虽然平凡，却为我们推开了计算机时代的大门，催生了整个现代电子和信息技术的腾飞。难怪世界著名的科技公司总部所在地叫“硅谷”。

硅既能在高科技领域大展拳脚，也能在日常生活中平易近人。我们的身边其实有很多含硅的用品：固态的硅胶可以制成保鲜盒里的密封圈儿、儿童的玩具、手表的腕带，甚至人体植入的假体；液态的硅油可以添加到护发素和面霜中，为头发和皮肤带来保湿和柔滑。

硅基生命的畅想

在元素周期表里，碳和硅同属一列，同为一族，它们的性质有很多相似的地方。很早以前就有科学家大胆猜想，世界上会不会有以硅为基础的生命存在。

无论是人类，还是各种动物、植物、微生物，我们已知的自然生命，在微观层面都是由碳链为“骨架”支撑起来的，因此也被称为碳基生命。既然硅跟碳那么相似，有没有可能存在以硅为“骨架”的生物，就称为“硅基生命”呢？

话说回来，今天的人工智能已经越来越聪明，说不定以后可以自己为自己编写程序。而人工智能的载体正是硅，这是不是意味着，“硅基生命”已经来到我们身边，还是人类自己创造的呢？