在我們耳熟能詳?shù)耐捁适隆痘夜媚铩防?，主人公擁有一雙美麗的水晶鞋。但你可能不知道，水晶鞋和路邊隨意抓起的一把沙子，構(gòu)成它們的主要成分是差不多的。這是怎么回事呢？讓我們來認(rèn)識(shí)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，化學(xué)符號(hào)是Si。硅在宇宙中的儲(chǔ)量算得上豐富，排在第八位。而在地球上，硅是組成地殼的第二大元素，占據(jù)了地殼總質(zhì)量的26.4%，僅次于老大氧元素。

自然界中，硅元素并不獨(dú)自出現(xiàn)，最常見的是與氧元素牢牢地捆綁在一起，形成非常穩(wěn)定的二氧化硅分子，也就是我們隨處可見的巖石、砂礫和土壤等。也就是說，硅和氧的化合物，構(gòu)成了我們所在的地球表面的基礎(chǔ)。90% 以上的礦物都是由硅酸鹽組成的，地殼中含硅的礦物足有一千多種。

在一片亂石叢中探索，很容易尋找到一些乳白色的小石塊；抓起一把沙土，里面經(jīng)?；祀s著半透明的小顆粒，這些都是石英，主要成分是二氧化硅。結(jié)晶完美的、純凈度高的石英則十分美麗，被人們稱為水晶。純凈的水晶是無色透明的，如果其中摻入別的元素雜質(zhì)，就會(huì)呈現(xiàn)出各種美麗的顏色。比如富有神秘色彩的紫水晶，就是水晶中加入了一點(diǎn)點(diǎn)錳元素。

陶瓷，東方的藝術(shù)

以前人類盡管并不知道硅的存在，但很早就開始了“玩泥巴”。

遠(yuǎn)古時(shí)代的人們發(fā)現(xiàn)，黏土在被火燒過以后，冷卻下來會(huì)變成堅(jiān)硬的陶土。于是他們慢慢摸索出了制作陶器的方法——將黏土根據(jù)用途塑造成各種形狀，然后用高溫?zé)疲龀龈魇礁鳂拥奶掌鳌?/p>

后來，隨著制陶技術(shù)不斷提高，我國(guó)古人發(fā)現(xiàn)進(jìn)一步提高燒制的溫度，可以將高嶺土變成更加潔白的陶器，人們稱之為“瓷器”。精美的瓷器漸漸取代了金屬制品，成為王公貴族們?nèi)粘Ｗ類塾玫钠骶?。后來又隨著商路漸漸風(fēng)靡世界，成為我國(guó)的一張名片。景德鎮(zhèn)一度成為世界制瓷業(yè)的中心。

無論是陶還是瓷，主要成分都是黏土，黏土中含有大量的硅化合物，經(jīng)過高溫和一系列工序，硅化合物發(fā)生了化學(xué)變化，才形成致密而堅(jiān)硬的陶瓷。

玻璃制造，西方的接力賽

在公元前三千年的埃及和美索不達(dá)米亞地區(qū)，人們發(fā)現(xiàn)在燒制陶器后，偶爾會(huì)出現(xiàn)一些顏色艷麗的半透明石頭，這是石英砂和其他一些天然礦熔化后形成的。人們開始探索制作玻璃的方法，將它們做成裝飾品和簡(jiǎn)單的容器。玻璃制造業(yè)逐漸興起。但那時(shí)候，玻璃仍然屬于比較奢侈的物品。

在我國(guó)古代，玻璃出現(xiàn)得較晚，被人們稱為“琉璃”。盡管我國(guó)古代也生產(chǎn)琉璃制品，但多是作為藝術(shù)品觀賞，投入的熱情遠(yuǎn)不及陶瓷。

在羅馬帝國(guó)時(shí)期，西方的玻璃制造技術(shù)突飛猛進(jìn)。羅馬人剔除了玻璃中的雜質(zhì)，制造出了透明的原色玻璃，更加通透。玻璃的用途也變得更加廣泛，除了制作容器、餐具、鏡子，還能做成地磚和窗戶。

文藝復(fù)興時(shí)期，威尼斯的工匠發(fā)明出了高透亮的水晶玻璃，成為玻璃發(fā)展史上的里程碑。威尼斯商人將制造水晶玻璃的方法視作秘密，將掌握技術(shù)的工人全部集中到一個(gè)叫穆拉諾的小島上，成百上千的玻璃工坊使得穆拉諾成為世界玻璃制造的重鎮(zhèn)。

玻璃與近代科學(xué)實(shí)驗(yàn)之緣

玻璃不容易與其他物質(zhì)發(fā)生反應(yīng)，也不容易受到其他化學(xué)物質(zhì)的侵蝕，是在化學(xué)實(shí)驗(yàn)中盛放化學(xué)品的理想工具。在西方化學(xué)研究興起之后，玻璃就成了實(shí)驗(yàn)室里不可或缺的東西。從試管、攪拌棒、燒瓶到量杯，都是玻璃制成的。那時(shí)候的化學(xué)家首先要掌握的，說不定是燒制各類玻璃儀器的能力。

而到了17 世紀(jì)，隨著物理學(xué)的發(fā)展，透明的玻璃更是被廣泛地在用在光學(xué)儀器上，比如望遠(yuǎn)鏡和顯微鏡等。這為人類觀察宇宙和微觀世界打開了大門，推動(dòng)了天文學(xué)、生物學(xué)等學(xué)科的發(fā)展，極大地拓展了人類的視野和認(rèn)知邊界。近代科學(xué)飛速發(fā)展起來。

硅的廬山真面目

以上說的，都是人類與含硅礦物打交道的故事，而硅單質(zhì)的出現(xiàn)則要晚得多1787 年，法國(guó)化學(xué)家拉瓦錫認(rèn)為石英中含有一種新元素。此后，一些化學(xué)家嘗試將這種元素提取出來，但效果都不理想。

1823 年，瑞典科學(xué)家貝采利烏斯終于制得了較純凈的無定形硅，這種構(gòu)造我們大地的元素才終于浮出水面。貝采利烏斯因此被譽(yù)為硅元素的發(fā)現(xiàn)者。

1854 年，法國(guó)化學(xué)家德維爾通過電解，制得了晶態(tài)硅。這一發(fā)現(xiàn)揭示了硅的晶體結(jié)構(gòu)。不過那時(shí)候的人們一定不會(huì)想到，硅在帶來科學(xué)啟蒙之后，會(huì)如何進(jìn)一步改變我們的世界。

既高端，又平常

硅屬于碳族，是一種半金屬元素，因此具有介于金屬和非金屬之間的性質(zhì)。

純凈的硅晶體本身幾乎不導(dǎo)電，但如果摻入極少量的其他元素，就能精準(zhǔn)地控制硅的電導(dǎo)率。這與眾不同的特性，使它成為絕佳的半導(dǎo)體材料。

半導(dǎo)體的概念很復(fù)雜，你只需要知道，各種半導(dǎo)體器件，如二極管、晶體管、集成電路等，是電子產(chǎn)品的心臟和大腦，我們手機(jī)、手表里的芯片，電腦里的CPU，網(wǎng)絡(luò)使用的光纖，都是以硅為基本材料的。

硅元素雖然平凡，卻為我們推開了計(jì)算機(jī)時(shí)代的大門，催生了整個(gè)現(xiàn)代電子和信息技術(shù)的騰飛。難怪世界著名的科技公司總部所在地叫“硅谷”。

硅既能在高科技領(lǐng)域大展拳腳，也能在日常生活中平易近人。我們的身邊其實(shí)有很多含硅的用品：固態(tài)的硅膠可以制成保鮮盒里的密封圈兒、兒童的玩具、手表的腕帶，甚至人體植入的假體；液態(tài)的硅油可以添加到護(hù)發(fā)素和面霜中，為頭發(fā)和皮膚帶來保濕和柔滑。

硅基生命的暢想

在元素周期表里，碳和硅同屬一列，同為一族，它們的性質(zhì)有很多相似的地方。很早以前就有科學(xué)家大膽猜想，世界上會(huì)不會(huì)有以硅為基礎(chǔ)的生命存在。

無論是人類，還是各種動(dòng)物、植物、微生物，我們已知的自然生命，在微觀層面都是由碳鏈為“骨架”支撐起來的，因此也被稱為碳基生命。既然硅跟碳那么相似，有沒有可能存在以硅為“骨架”的生物，就稱為“硅基生命”呢？

話說回來，今天的人工智能已經(jīng)越來越聰明，說不定以后可以自己為自己編寫程序。而人工智能的載體正是硅，這是不是意味著，“硅基生命”已經(jīng)來到我們身邊，還是人類自己創(chuàng)造的呢？