1700544330
1700544331
碳元素是生命不可或缺的重要元素。无论是蛋白质还是DNA，都是以碳元素为中心构建而成的。在地球上，无论是地壳还是海洋，人类目力所及之处的碳元素重量仅占总物质重量的0.08%，而我们身体内的碳元素重量占到了体重的将近20%。所以说，碳元素确实是生命活动中不可或缺的元素。
1700544332
1700544333
在此肯定有人会问：“既然硅元素与碳元素性质相近，硅元素有可能成为生命的基础元素吗？”受此影响，许多科幻小说曾经描绘过多姿多彩的硅元素生命。然而，令人惊奇的是，在现实世界中，硅元素与生命的关联性并不大。除了硅藻之类的浮游生物和稻科植物之外，生物界里需要硅元素的地方少之又少。地球上硅元素储量极其丰富，为什么大部分生物却对它丝毫不感兴趣呢？
1700544334
1700544335
1700544336
1700544337
1700544338
硅藻示意图
1700544339
1700544340
地球上绝大部分岩石是由硅元素与其他元素共同构成的。我们身边随处可见的岩石就是硅元素、氧元素和各种金属元素互相结合成网状结构，从而形成的坚硬的块状岩石。
1700544341
1700544342
因此，在我们生活的世界中，如果按绝对重量划分各种元素的百分比，氧元素约为49.5%，硅元素约为25.8%。前文提到的碳元素化合物（包括碳基生命在内）的重量还没有硅元素的零头多。假如外星人来到地球上，不考虑生命，单单站在元素的角度观察，也许会认为地球是一颗被水包着的氧化硅行星。
1700544343
1700544344
更奇妙的是，碳元素与硅元素这两种元素竟然几乎不发生反应，共同形成原子键的情况极少发生。除了在陨石中发现过极少数碳化硅之外，人类尚未发现过自然界中的碳硅化合物。
1700544345
1700544346
不过，碳元素与硅元素并非不能结合，我们可以通过人工手段令两者形成化合物。例如，厨房用品和医疗用品中的硅胶材料就是其中的一种。众所周知，硅胶除了兼具柔软性与耐久性之外，还有良好的耐热性。这种优异的材料正是碳元素与硅元素的化合物，是一种自然界原本不存在的物质，确实令人感到不可思议。值得一提的是，硅胶虽然含有“胶”字，严格来说这种表述不正确。其实，它真正的意思是以氧化硅为骨架，结合多种化合物所构成的物质，所以硅胶的英语为silicone，与硅元素的英文silicon不同。
1700544347
1700544348
综上所述，本来两个极为相似的元素——碳元素与硅元素，一个成了生命世界的主宰，另一个成了无机世界的霸主，在自然界里却“老死不相往来”。也许，只有笔者才对两者间如同古希腊神话故事般的跌宕起伏关系感到好奇吧。
1700544349
1700544350
1700544351
1700544352
1700544353
奇妙的材料：改变世界的12种化学物质和它们背后的科学传奇 [:1700542047]
1700544354
奇妙的材料：改变世界的12种化学物质和它们背后的科学传奇 硅元素的历史
1700544355
1700544356
虽然硅元素在生命构成当中并没有发挥多大的作用，但是作为一种材料，硅被人类广泛应用，其用途非常广泛。且不说建筑用石材，包括前文提到的陶瓷的分子构架也以硅原子为主。此外，玻璃也是由1个硅原子与2个氧原子结合成的分子组成，这些分子排列毫无规律可言。
1700544357
1700544358
虽然硅在自然界无处不在，可是人类认识它的时间还不到200年。1823年，瑞典科学家贝采利乌斯（1779—1848）才首次分离出了纯净的硅。硅元素的发现时间甚至比发现诸如铑、钯、锇等极微量元素都晚了许多年。
1700544359
1700544360
硅迟迟未能进入人类视野的原因与前文中介绍的铝元素的情况类似——硅与氧的亲和性极强，化学键极为牢固。前文中提到岩石与玻璃，在分子结构中硅原子与氧原子互相交错形成网状结构，分离难度极大。因此，获取高纯度的硅非常困难，必须等到技术、工艺与思路发展到一定水平之后才能实现。
1700544361
1700544362
高纯度硅是一种带有银色光泽的固体，往往会令人误以为是某种金属。但是，硅元素的物理特性与金属元素大相径庭，所以被归入了准金属。例如，就导电性来说，硅介于拥有导电性的金属与拥有绝缘性的非金属元素的中间地带。由于具有这种半导体的特殊性质，硅元素成为信息化时代的“元素之王”。
1700544363
1700544364
1700544365
1700544366
1700544367
高纯度硅
1700544368
1700544369
1700544370
1700544371
1700544372
奇妙的材料：改变世界的12种化学物质和它们背后的科学传奇 [:1700542048]
1700544373
奇妙的材料：改变世界的12种化学物质和它们背后的科学传奇 半导体的秘密
1700544374
1700544375
半导体是大家耳熟能详的词汇，虽然大家都知道它的导电性介于导体与绝缘体之间，可未必理解其中真正的奥妙。简单来说，半导体是一种能够通过改变杂质含量或者改变光照方式控制其电导率的物质。
1700544376
1700544377
在金属元素本身携带的电子中，一部分可以脱离原子自由移动。只要从任意一个方向得到“召唤令”——施加电压——这些自由电子便会瞬间奔向低电压区域，这样就在金属内部形成了电流。
1700544378
1700544379
而在硅晶体内的原子对电子的捕捉能力稍强于金属元素，使电子无法自由移动，因此纯硅基本上属于绝缘体。对此，可以在纯硅中混入极少量的其他物质，使硅具有导电性。