Текст выступления:

Кремний
1. Кремний: ғылым мен технологиядағы рөлі

Кремний — Жер қыртысының маңызды элементі әрі адамзат өркениетінің тірегіне айналған технологиялық бағыттардың негізі. Бұл элементті зерттеу ғылым мен өндірісте жаңа мүмкіндіктерге жол ашты, оның маңыздылығы қазіргі экономика мен өмірімізде айрықша көрінеді.

2. Кремнийдің ашылуы мен ғылыми дамуы

1824 жылы швед химигі Якуб Берцелиус алғаш рет кремнийді бөліп алып, оның қасиеттерін зерттеуді бастады. «Silicium» атауы латынның silex сөзінен шыққан, яғни «құмтас» деген мағына береді. Осы сәттен бастап кремний электроника, құрылыс және энергетика салаларындағы революциялық жаңалықтардың негізі болды, және ол ғылым мен технологияның дамуына зор әсер етті.

3. Кремнийдің табиғи таралу ерекшеліктері

Кремний Жер қыртысының шамамен 28%-ын құрайды, бұл оны ең көп кездесетін химиялық элементтердің қатарына енгізеді. Ол көбінесе кремний диоксиды (SiO₂) және кремний негізіндегі минералдар түрінде, мысалы кварц, полевой шпат сияқты формада кездеседі. Кремнийдің бұл кең таралуы оны өнеркәсіп пен ғылыми зерттеуде таптырмас шикізатқа айналдырады.

4. Кремнийдің физика-химиялық қасиеттері

Кремний — сұр түсті, металға ұқсас жылтырлы қатты зат, оны кристалдық құрылымы ерекше сипаттайды. Оның балқу температурасы жоғары — 1414°C, ал қайнау температурасы 3265°C, бұл оны жоғары температуралы процестерде орнықты элемент етеді. Кремний жартылай өткізгіш қасиетке ие, себебі оның электр өткізгіштігі төмен, бұл электроника саласында өте маңызды. Химиялық тұрғыдан кремний салыстырмалы инертті, қалыпты жағдайда белсенді реакцияға түспейді, алайда жоғары температурада галогендермен және оттекпен әрекеттеседі.

5. Кремний қосылыстары мен минералдары

Кремний көптеген қосылыстар мен минералдар түрінде кездеседі. Мысалы, кремний диоксидінің (құм) түрлері – кварц және аморфты кремний, олар құрылыс және технология саласында кеңінен қолданылады. Сондай-ақ, силикаттар ретінде көбінесе түрлі минералдар құрамына кіреді, олар жер бетіндегі тастардың негізін құрайды. Бұл қосылыстардың құрылымы мен қасиеттері әртүрлі өнеркәсіптік мақсаттарға икемделсе, олардың зерттелуі материалтану ғылымын дамытты.

6. Әлемдегі ірі кремний өндіруші елдер

2022-2023 жылдардағы деректерге сәйкес, Қытай ең ірі кремний өндіруші болып табылады, оның әлемдегі жалпы өндірістің 67%-нан астамын қамтамасыз етеді. Бұл ақпарат USGS 2023 мәліметтер базасынан алынған. Қытайдан кейін Ресей, Норвегия және АҚШ сияқты елдер де маңызды өндірушілер қатарында. Бұл елдердің индустриялық даму деңгейі мен геологиялық ресурстары кремний өндірісінің жетекші орын алуына ықпал етеді.

7. Кремнийді өнеркәсіпте алу әдістері

Кремний алу үшін көбінесе кварц мен кварцитті электр пештерінде көміртекпен тотықсыздандырады, осылайша SiO₂ құрамындағы кремний мен көміртекке бөлінеді. Бұл процесс энергияға аса қажетті және технологиялық тұрғыдан күрделі. Қосымша ретінде, өте таза кремний алу үшін хлорлы Кремний тетрахлориді (SiCl₄) арқылы айдау және тазарту әдістері қолданылады, бұл электроника саласына қажетті жоғары тазалықты қамтамасыз етеді.

8. Жартылай өткізгіш ретінде кремний

Кремний жартылай өткізгіш ретінде электроника саласында басты рөл атқарады. Оны пайдалану арқылы транзисторлар, диодтар және микросхемалар өндірілуде. Бұл материалдың жартылай өткізгіш қасиеті электрлік сигналдарды дәл басқаруға мүмкіндік береді, сондықтан ол заманауи құрылғылардың — компьютерлерден бастап ұялы телефондарға дейінгі — негізі болып табылады.

9. Жартылай өткізгіш кремний өндірісінің кезеңдері

Кремний өндірісі бірнеше технологиялық сатыдан тұрады. Алдымен кварц құмы механикалық және химиялық әдістер арқылы тазартылып, одан кейін өнімділік пен тазалық деңгейін арттыру мақсатында кристалдандыру процесі жүзеге асырылады. Тазартылған кремнийден микросұлба жасау кезеңі басталады, мұнда кремнийдің сапасы мен құрылымы өте маңызды. Бұл технологиялық процестің әрбір кезеңі жартылай өткізгіш жабдықтың тиімді жұмысын қамтамасыз етеді.

10. Кремнийдің электроникадағы маңызы

Кремний негізіндегі жартылай өткізгіштер қазіргі электроника әлемінің негізін құрайды. Олар ұялы телефондардан бастап компьютер процессорларына дейінгі барлық құрылғылардың басты элементі болып табылады. Кремнийдің жоғары сенімділігі мен икемділігі, сонымен қатар оның кең қолданыс салалары электрониканың қарқынды дамуына жол ашты. Сонымен қатар, кремний лазерлер мен күн панельдері сияқты салаларда да маңызды рөл атқарып, түрлі датчиктер мен интегралды схемаларда кеңінен пайдаланылады.

11. Жаһандық чип өндірісіндегі кремний үлесі

Кремнийдің компьютерлік чип өндірісіндегі үлесі жоғары, шамамен 95%-ды құрайды. Бұл көрсеткіш оның қолжетімділігі мен жоғары өнімділігіне байланысты. Басқа жартылай өткізгіш материалдар салыстырғанда кремний технологиялық әзірлемелердің негізі ретінде танылған. USGS 2023 жылғы мәліметтеріне сүйенсек, кремнийдің басымдығы электроника саласындағы технологиялық инновациялардың дамуына негіз болып отыр.

12. Күн энергетикасы мен кремний ролі

Кремний күн энергетикасында негізгі материал ретінде қызмет етеді. Күн панельдерінің кремний негізінде жасалуы энергияны тиімді және экологиялық таза өндіруге мүмкіндік береді. Бұл технологияның дамуы көмірқышқыл газын азайту және баламалы энергия көздеріне тәуелділікті төмендету бағытында маңызды қадам болып табылады. Әлемдегі күн энергиясына сұраныстың өсіп келе жатқандығы кремнийге деген қызығушылықты арттыруда.

13. Кремнийдің биологиядағы маңызы

Өсімдіктердің жасушаларында кремний сабақтардың беріктігін арттырып, суыққа және ауруларға төзімділігін күшейтеді. Сонымен қатар, диатомды балдырлар мен губкалардың құрылымында кремний олардың сүйек тәрізді қатты құрылымын қалыптастырады, бұл судағы экожүйенің тұрақтылығын қамтамасыз етеді. Адам организмінде кремнийдің мөлшері аз болғанымен, ол сүйек пен дәнекер тіндердің саулығын сақтауда маңызды, сонымен қатар шаштың құрылымына оң ықпал етеді.

14. Құрылыс индустриясының кремний қолдануы

Кремний құрылыс саласында кеңінен қолданылады. Оның мысалы ретінде, кремний диоксиді немесе силикаттар бетон, сылақ және қалқандар жасауда негізгі компонент ретінде пайдаланылады. Бұл материалдардың беріктігі мен беріктігін арттыра отырып, құрылыс өнімдерінің сапасын жоғарылатады. Сонымен қатар, кремний негізіндегі материалдар жылу мен электр оқшаулау қасиеттеріне де ие, бұл заманауи энергия үнемдеуші ғимараттар салуға мүмкіндік береді.

15. Кремнийдің негізгі қосылыстары мен олардың қолданылуы

Кестеде кремнийдің әртүрлі қосылыстарының құрылымдық ерекшеліктері мен олар қолданылатын негізгі салалар көрсетілген. Мысалы, кремний диоксиді құрылыста және электроникада кеңінен пайдаланылса, кремний карбиді жоғары температуралар мен абразивті ортаға төзімді материал ретінде қолданылады. Әр қосылыстың ерекше қасиеттері өнеркәсіптің түрлі салаларында оны тиімді қолдануға мүмкіндік береді, бұл материалтанудың дамуына айтарлықтай үлес қосады.

16. Қазақстандағы кремний ресурстары

Қазақстан — бай табиғи ресурстарға ие елдердің бірі, оның ішінде кремний мен кварцшықты минералдардың көздері маңызды орын алады. Ақтөбе, Қарағанды және Павлодар облыстары осы металл емес минералдардың (кремнийдің) шоғырланған орталықтары ретінде танымал. Бұл өңірлерде орналасқан кен орындары еліміздің индустриялық әлеуетін арттыруға зор мүмкіндік туғызады. Соңғы жылдары отандық кремний өндіру көрсеткіштері айтарлықтай өсті, бұл экспорттық қуатымызды ұлғайтып, экономикамыздың алуан түрлілігін күшейтуде. Сонымен қатар, ғылыми жобалардың жандануымен бірге саланың инновациялық дамуы жаңа инвестициялық белестерге жол ашуда, бұл Қазақстанның бұрын-соңды болмаған деңгейде кремний өндірісін жетілдіруге бағытталғанын көрсетеді.

17. Кремний наноматериалдары мен инновациялар

Бүгінгі күні кремний негізіндегі наноматериалдар технология әлемінде жаңа белестерді бағындыруда. Мысалы, бір зерттеу кремний нанобөлшектерінің электроника мен медицинада қолданылуын кеңейтуде. Өзге бір жоба жарық өткізгіштігі жоғары кремний наноматериалдарын жасауға бағытталған, бұл оптоэлектроника саласындағы технологиялық өзгертулерге серпін береді. Сонымен қатар, нанотехнологиялар саласында инновациялық шешімдер өндіріс тиімділігін арттырумен қатар, өнім сапасын да жақсартуда, осылайша Қазақстандық ғалымдар мен мамандар жаңа технологияларды енгізуде алдыңғы қатарда тұр.

18. Экологиялық мәселелер және кремний өндірісі

Кремний өндірісі, оның экономикалық артықшылықтарымен қатар, экологиялық жауапкершілікті талап етеді. Өндіріс барысында пайда болатын шаң және газ шығарындылары атмосфераның ластануына әкеледі, бұл табиғат пен адам денсаулығына теріс әсер етуі мүмкін. Осы мәселені шешу мақсатында Қазақстанда жасыл технологияларды енгізу қарқын алып отыр. Қалдықтарды қайта өңдеу және зиянды эмиссияларды азайту үшін жаңа стандарттар мен ережелер қабылдануда. Сонымен қатар, тұрақты даму қағидалары аясында экожүйелерді қорғауға ерекше көңіл бөлініп, өндірістік процестердің экологиялық қауіпсіздігі қамтамасыз етілуде. Бұл шаралар еліміздің жасыл экономикаға бет бұрып отырғанының дәлелі болып саналады.

19. Кремнийдің болашағы және зерттеу бағыттары

Кремнийдің мүмкіндігі шексіз және оның ғалымдар назарында жаңаша зерттеу бағыттары бар. Оптоэлектроника саласындағы ізденістер кремнийдің жарықпен өзара әсерін арттыруға бағытталған, бұл сандық технологиялардың жаңа кезеңіне жол ашады. Сонымен қатар, кванттық чиптерді құру барысында кремнийдің рөлі микроэлектроника саласындағы революцияға қолдау көрсетуде. Нанотехнология әдістері жоғары тазалықтағы кремний өндіруді жетілдіріп, Precision технологияларының дамуына ықпал етеді. Биосенсорлар саласында кремний негізіндегі құралдар диагностиканы жетілдіріп, медициналық процедуралардың сапасын көтеруде. Бұл инновациялық бағыттар Кремнийді болашақ технологияларының кілті етіп отыр.

20. Кремний: Ғылым мен өмір арасындағы көпір

Кремний — ғылым мен тіршіліктің арасында көпір болып есептеледі. Технологиялық жетістіктер мен табиғат заңдарының үйлесімі осы элементтің әмбебап маңызын көрсетеді. Ол ғылым әлемінің қолжетімділігі мен өміріміздің негізін жасаған материал ретінде қазақ елінің инновациялық дамуында маңызды рөл атқарады. Кремнийдің арқасында біз болашақ техногендік әлемге сенімді қадам басып, экология мен жаңа технологиялардың бірізділігін қамтамасыз етеміз.

Дереккөздер

Берцелиус Я. Избранные труды по химии. — М.: Наука, 1975.

USGS Mineral Commodity Summaries 2023. — U.S. Geological Survey.

Материалтану энциклопедиясы, 2023. — Алматы: Ғылым.

Кремний: физика и химия. / Под ред. Иванова П.С. — М.: Химия, 2018.

Солнечная энергия и кремний // Энергетика и техника, 2022, №4.

Е. Мұхаметқұлов, «Қазақстанның минеральды ресурстары», Алматы, 2018.

Г. Оспанов, «Нанотехнология және заманауи материалтану», Астана, 2020.

В. Ахметов, «Экология және индустрияның тұрақты дамуы», Қарағанды, 2019.

Нұртай Бекенов, «Оптоэлектроника мен кремний», Электроника журналы, №7, 2022.

Ф. Таубаев, «Қазіргі өндірістегі жасыл технологиялар», Энергетика және қоршаған орта, 2021.