Articolo

Enrico Bucci

Che cosa hanno in comune una diatomea e un microchip?

Quando diciamo silicio pensiamo oggi ai chip, ai pannelli solari, ai semiconduttori, alla materia su cui si è costruita l’elettronica moderna. È un’associazione recente. Per quasi tutta la storia della Terra, e per quasi tutta la storia dell’uomo, il silicio ha avuto un altro volto: roccia, sabbia, quarzo, selce, ossidiana, argilla, vetro. Il chip arriva alla fine di una vicenda molto più lunga, fondata su una caratteristica chimica semplice: sulla Terra il silicio tende a legarsi all’ossigeno, e da quel legame nascono strutture capaci di durare, rompersi secondo forme prevedibili, sciogliersi lentamente nell’acqua, riformarsi come deposito minerale, diventare trasparenti, isolare elettricamente, guidare la luce, controllare il movimento delle cariche.

Il silicio permette a sistemi molto diversi di produrre forme con proprietà particolari. Nelle diatomee, quella forma è una parete minerale perforata; nelle spugne, una spicola; nelle piante, un fitolito; nell’ossidiana scheggiata, un bordo; nel vetro piano, una superficie trasparente che separa e illumina; nella lente, una superficie curva che devia i raggi secondo regole geometriche; nel chip, una geometria microscopica capace di controllare la corrente. La continuità fra biologia e tecnologia sta nella relazione fra struttura e funzione: una sostanza diventa utile quando viene organizzata in una forma stabile, ripetibile, capace di produrre un effetto. Gli organismi hanno reclutato il silicio come materiale da costruzione, senza trasformarlo in una biomolecola centrale. L’uomo ha seguito un’altra via, prima con la mano e la percussione, poi con il fuoco, la soffiatura, la produzione di lastre, la curvatura ottica, la purificazione, l’ossidazione e la litografia.

Il silicio è il secondo elemento più abbondante della crosta terrestre dopo l’ossigeno. Nella Terra solida compare soprattutto come silice e silicati. La silice è biossido di silicio, SiO₂; i silicati sono minerali nei quali silicio e ossigeno si combinano con alluminio, ferro, magnesio, calcio, sodio, potassio e altri elementi. Quarzo, feldspati, miche, argille, selci, sabbie, lave, ossidiane e pomici appartengono a questa famiglia. I silicati costituiscono più del 25% della crosta terrestre e la loro struttura fondamentale è il tetraedro silicio-ossigeno, con un atomo di silicio circondato da quattro di ossigeno.

Gli atomi di silicio incorporati nel nostro pianeta provengono dall’evoluzione stellare della materia. Nelle stelle massicce, durante le fasi avanzate della loro vita, le reazioni nucleari producono elementi più pesanti; le esplosioni di supernova disperdono nello spazio quegli elementi e le polveri che entreranno in generazioni successive di stelle e pianeti. Infatti, il silicio è stato identificato anche nei resti di supernova Cassiopeia A e G54.1+0.3 grazie a osservazioni infrarosse del telescopio spaziale Spitzer: la polvere riscaldata emette luce a lunghezze d’onda caratteristiche, e quelle firme permettono di riconoscere le sostanze. Un granello di sabbia come quello che troviamo su una nostra spiaggia è un prodotto geologico molto più tardo; la materia da cui deriva appartiene alla storia degli elementi fabbricati e dispersi prima della nascita del Sistema solare.

Nella crosta terrestre, il legame silicio-ossigeno si organizza intorno al tetraedro SiO₄. Il silicio, con quattro legami disponibili, occupa il centro; gli ossigeni i vertici. I tetraedri possono restare isolati, unirsi in catene, estendersi in fogli, connettersi in reticoli tridimensionali. Da queste possibilità derivano minerali diversi: olivine e granati, pirosseni e anfiboli, miche e argille, quarzo e feldspati. La differenza fra un basalto, un granito, una sabbia quarzosa e un’argilla dipende anche da dettagli di questa architettura atomica: quanti ossigeni vengono condivisi fra tetraedri, quali cationi (atomi con carica positiva) compensano le cariche negative dei silicati, quanto alluminio sostituisce il silicio, quale temperatura e quale pressione accompagnano la formazione del minerale.

La crosta terrestre si trasforma continuamente attraverso la trasformazione di questi materiali. Un magma raffredda e cristallizza; una roccia affiora, si frattura, viene attraversata dall’acqua; alcuni silicati si alterano; certi elementi vengono rimossi in soluzione; il quarzo, rete tridimensionale di SiO₂ resistente all’alterazione, si accumula nelle sabbie; le argille derivano dall’alterazione di minerali silicatici precedenti e diventano componenti essenziali dei suoli. In questa alternanza di fusione, cristallizzazione, erosione, idratazione, trasporto e sedimentazione, la chimica del silicio oscilla fra reticoli solidi, superfici esposte all’acqua e specie solubili. La stessa tendenza a costruire reti silicio-ossigeno che rende durevoli i minerali rende anche possibile la loro lenta dissoluzione e la successiva riformazione di nuovi depositi.

In acqua, i silicati non sono soltanto minerali che lentamente si alterano e liberano acido silicico. Alcuni di essi offrono superfici cariche, spazi interni, siti di adsorbimento. Le argille, in particolare, sono silicati idrati a struttura lamellare: fogli minerali sovrapposti, ioni scambiabili, cavità microscopiche nelle quali molecole organiche possono aderire, concentrarsi, orientarsi e reagire. In un ambiente prebiotico, dove molte molecole sarebbero state disperse in acqua a basse concentrazioni, una superficie minerale poteva cambiare l’ambiente chimico: reagenti lontani in soluzione potevano essere trattenuti abbastanza vicini da aumentare la probabilità di una reazione.

La montmorillonite, una smectite che può formarsi per alterazione acquosa di ceneri vulcaniche, è stata studiata da James Ferris e collaboratori perché catalizza la formazione di oligomeri di RNA a partire da mononucleotidi attivati. In questi esperimenti, la superficie dell’argilla favorisce la formazione di legami fosfodiesterici, i legami che uniscono i nucleotidi nell’RNA. A seconda delle condizioni sperimentali, si ottengono oligomeri contenenti da poche unità fino a catene dell’ordine di 30-50 monomeri, che sono già di lunghezza sufficiente ad autoreplicarsi.

Questo risultato documenta una proprietà chimica delle argille, entro i limiti di un modello sperimentale di chimica prebiotica. I silicati agiscono come ambienti materiali attivi: superfici sulle quali molecole disperse in acqua acquistano nuove probabilità di reagire. Il silicio facilita così l’evoluzione della chimica prebiotica attraverso la struttura del minerale, la carica delle superfici, gli spazi lamellari, la capacità di trattenere e orientare molecole organiche. 

La vita terrestre ha costruito le proprie molecole fondamentali soprattutto con carbonio, idrogeno, ossigeno, azoto, fosforo e zolfo. Proteine, acidi nucleici, lipidi e carboidrati dipendono da questa chimica. Il silicio occupa una posizione diversa. Il suo ruolo biologico più riconoscibile riguarda la materia solida: strutture minerali prodotte da cellule e tessuti.

Il passaggio avviene attraverso l’acqua. La silice e i silicati, dissolvendosi lentamente, liberano acido silicico, Si(OH)₄, una molecola solubile. Questa è la forma con cui il silicio diventa disponibile per molti organismi. L’atomo di silicio, legato a gruppi ossidrile, passa dalla stabilità del minerale alla mobilità di una piccola molecola in soluzione. Quando la concentrazione e le condizioni chimiche lo permettono, le molecole di acido silicico condensano tra loro: si formano legami silicio-ossigeno-silicio e viene liberata acqua. Il risultato è silice amorfa idrata, un materiale vetroso privo dell’ordine regolare del quarzo, ma abbastanza stabile da diventare parete, scheletro, rinforzo o deposito.

L’uso biologico del silicio richiede controllo perché la chimica della condensazione deve essere localizzata. Il precursore deve essere assorbito dall’ambiente, trasportato attraverso membrane, concentrato senza precipitare nei luoghi sbagliati, portato nel compartimento corretto, trasformato in solido con una forma utile. Un organismo che costruisce una parete di silice organizza legami Si–O–Si in strutture con proprietà precise: protezione, porosità, rigidità, galleggiamento, resistenza, persistenza nei sedimenti. La biosilicificazione è una tecnica cellulare di modellazione della forma ottenibile da un vetro di silicio, lavorando con molecole, membrane e gradienti invece che con utensili e fornaci.

La biosilicificazione può essere osservata all’opera in organismi specializzati.

Le diatomee sono alghe unicellulari fotosintetiche presenti nelle acque marine e dolci. Ogni cellula è racchiusa in una parete di silice amorfa idrata chiamata frustula, composta da due valve incastrate. Le valve sono percorse da pori, coste e aperture disposti secondo geometrie caratteristiche della specie. La chimica del silicio è essenziale per questa architettura: la silice amorfa costruisce una parete minerale rigida, permeabile alla luce e attraversata da aperture che permettono gli scambi con l’acqua. Il materiale protegge la cellula, partecipa al galleggiamento e all’affondamento, e dopo la morte dell’organismo contribuisce ai sedimenti silicei. Le diatomee contribuiscono in modo rilevante alla produttività primaria degli oceani e all’esportazione del carbonio verso le acque profonde.

La costruzione della frustula comincia da un passaggio molecolare molto specifico. Le diatomee importano acido silicico attraverso proteine di membrana chiamate SIT, silicic acid transporters. Uno studio pubblicato su Nature Communications ha identificato omologhi sperimentalmente trattabili di questi trasportatori e ha mostrato che funzionano come simporti sodio/acido silicico: il passaggio dell’acido silicico è accoppiato al movimento del sodio. La frustula, osservata al microscopio come forma minerale, comincia quindi dalla chimica del trasporto: una proteina riconosce la specie solubile del silicio e ne permette l’ingresso nella cellula. 

Dopo l’ingresso, il silicio viene indirizzato verso vescicole specializzate, dove avviene la deposizione della silice. Peptidi, poliamine e altre molecole organiche associate alla biosilice regolano la nucleazione e la crescita del deposito. La nucleazione è la comparsa dei primi nuclei stabili del materiale; la crescita è l’estensione della rete silicea. L’acido silicico solubile viene così portato in un luogo circoscritto e convertito in una rete amorfa di legami Si–O–Si. La diatomea produce alla fine un solido minerale in acqua, a temperatura ambiente, dentro confini cellulari. La forma finale dipende da membrane, concentrazioni, tempi di deposizione e matrici organiche; all’occhio umano, le minuscole strutture vetrose ottenute dalle diatomee possiedono qualità estetiche difficilmente eguagliate in natura.

Rispetto alla biosilicificazione delle diatomee, le spugne silicee hanno sviluppato un’altra soluzione. Molte producono spicole, elementi scheletrici aghiformi o raggiati, fatti di biosilice. In Tethya aurantia sono state identificate proteine chiamate silicateine nei filamenti assiali delle spicole, che costituivano circa il 75% del peso secco della spugna studiata, rendendo possibile isolare e caratterizzare le proteine associate alla biosilice. Ogni spicola contiene un filamento proteico centrale con struttura regolare; attorno a quell’asse si deposita la silice. La chimica è ancora una conversione localizzata: acido silicico disponibile in ambiente acquoso, matrice organica, condensazione in una rete silicea amorfa. La funzione scheletrica nasce dal fatto che il deposito avviene attorno a un asse che definisce forma e direzione.

Nelle piante il silicio segue un’altra strada. Le radici assorbono acido silicico dal suolo; il flusso linfatico lo trasporta nello xilema; la silice precipita nelle pareti cellulari, nei lumi cellulari o negli spazi intercellulari. I depositi prendono il nome di fitoliti. Sono piccoli corpi di silice amorfa idrata, con forme spesso legate al tipo cellulare e alla specie vegetale. Graminacee, ciperacee, equiseti e molte altre piante possono accumulare quantità elevate di silicio, che contribuiscono alla resistenza meccanica, possono ridurre l’azione di erbivori e patogeni, e dopo la morte della pianta possono persistere nel suolo o nei sedimenti.

Diatomee, spugne e piante mostrano soluzioni diverse dello stesso problema. Il silicio fornisce una fase minerale manipolabile perché la sua chimica consente un passaggio reversibile su scala ambientale: dal silicato solido all’acido silicico solubile, dall’acido silicico alla silice amorfa. Le cellule intercettano questo passaggio, lo localizzano, lo rallentano o lo accelerano, lo incanalano in una forma. Da una molecola solubile nasce una struttura solida con proprietà. È il passaggio che definisce ogni tecnologia materiale: una sostanza esercita una funzione quando la struttura in cui viene modellata è controllata opportunamente.

La relazione fra ominini e materiali silicei comincia con una proprietà della frattura dei vetri silicei. L’ossidiana è un vetro vulcanico ricco di silice, formato dal raffreddamento rapido di lave viscose. L’alto contenuto di silice aumenta la viscosità della lava, e il raffreddamento rapido impedisce agli atomi di organizzarsi in cristalli estesi. Il risultato è una massa amorfa, omogenea, attraversata da una rete disordinata di legami silicio-ossigeno, cioè un vetro duro e fragile. Quando viene colpita nel modo giusto, l’ossidiana si rompe con frattura concoide: genera superfici curve, lisce, regolari. Una roccia granulare devia la frattura lungo discontinuità interne; una massa vetrosa omogenea permette una propagazione più prevedibile.

Per gli ominini del Pleistocene questa proprietà era importante, perché da un nodulo di vetro naturale si potevano ottenere lame, punte, raschiatoi. Servivano scelta del materiale, orientamento del nodulo, controllo dell’angolo di percussione, previsione della scheggia. A Melka Kunture, sugli altopiani etiopici, sono stati trovati strumenti olduvaiani in ossidiana datati a circa 1,7 milioni di anni fa; uno studio di Rosalia Gallotti e Margherita Mussi documenta una produzione sistematica di piccoli strumenti appuntiti standardizzati, strettamente legata allo sfruttamento dell’ossidiana.

Tuttavia, il rapporto tra la nostra specie e il silicio non si è fermato alle lame di ossidiana.

Il vetro artificiale nasce dalla preparazione di una miscela silicea capace di fondere e raffreddare in forma amorfa. Circa quattromila anni fa, in Mesopotamia, artigiani produssero vetro mescolando sabbia, soda e calce. La sabbia forniva la silice, cioè la rete principale del materiale; la soda agiva da fondente, rompendo parte della rete silicio-ossigeno e abbassando la temperatura necessaria alla fusione; la calce stabilizzava il vetro, rendendolo meno solubile e più durevole. Il vetro nasce quindi da una modifica controllata della rete Si–O: abbastanza interrotta da fondere e lavorarsi, abbastanza stabile da raffreddare in un solido resistente. All’inizio il vetro era raro, colorato, prezioso: perle, intarsi, piccoli recipienti, oggetti destinati a sostanze pregiate.

La soffiatura cambiò quantità, leggerezza e varietà degli oggetti. Nel I secolo a.C., artigiani dell’area siro-palestinese svilupparono la tecnica di soffiare aria in una massa di vetro ammorbidita attraverso una canna. Ciò permetteva di ottenere recipienti cavi con pareti più sottili, forme più ampie, produzione più rapida. Bottiglie, ampolle, bicchieri, coppe e contenitori per oli, profumi, farmaci o alimenti sfruttavano insieme due proprietà chimico-fisiche della rete vetrosa: stabilità verso molte sostanze contenute e trasparenza nel visibile. Il contenitore mostrava il contenuto, una qualità molto apprezzata per ovvi motivi. Colore, limpidezza, livello del liquido, impurità, diventavano visibili attraverso la parete.

La finestra in vetro portò questa trasparenza in architettura. Una parete protegge e chiude; un’apertura illumina e ventila; il vetro piano permette di far entrare luce mantenendo una separazione fisica fra interno ed esterno. Tutto ancora dipende dalla rete silicea amorfa che compone il vetro: assorbe poco nella regione visibile, può essere resa abbastanza omogenea da ridurre la dispersione, resta solida e stabile in lastre sottili. Per arrivare a grandi superfici servivano lastre sempre più ampie, più uniformi, meno deformanti. Il problema tecnico riguardava planarità, spessore, bolle, tensioni interne, ondulazioni, dimensioni. Il vetro da finestra richiese quindi una lunga storia di formatura e rifinitura: dischi ottenuti da vetro soffiato, cilindri tagliati e appiattiti, lastre colate, laminate, ricotte, molate e lucidate.

Il processo float chiuse questa lunga ricerca industriale della lastra piana. Alastair Pilkington concepì il metodo nel 1952 e lo annunciò nel 1959: il vetro fuso viene versato su un bagno di stagno fuso, si distende in un nastro continuo e forma superfici piane grazie alla gravità e alla tensione superficiale. Il procedimento rese possibile produrre vetro chiaro, uniforme, in grandi lastre e con spessori controllati, eliminando il bisogno sistematico di molatura e lucidatura delle superfici. 

Bottiglie, bicchieri e finestre piegano a un uso preciso gli ossidi di silicio: contenere e separare, lasciando passare la luce. La forma può essere cava, come in una bottiglia; sottile e curva, come in un bicchiere; estesa e piana, come in una lastra. La funzione resta legata alla trasparenza e alla stabilità del materiale. La chimica della rete silicea permette al vetro di rendere visibile ciò che contiene, illuminare ciò che chiude, proteggere senza rendere opaco.

Si può fare però ancora altro con la luce che attraversa un vetro di silicio, oltre a farla semplicemente passare.

Una lente curva aggiunge una proprietà diversa: la rifrazione. La luce cambia velocità e direzione quando passa da un mezzo a un altro, per esempio dall’aria al vetro. Questa deviazione dipende dall’indice di rifrazione, che a sua volta dipende dalla composizione chimica e dalla struttura elettronica del materiale. Nel vetro siliceo e nei vetri modificati da altri ossidi, gli elettroni del materiale interagiscono con il campo elettromagnetico della luce senza assorbirla fortemente nel visibile; il raggio attraversa il materiale, ma la sua traiettoria cambia alla superficie. L’ottica geometrica descrive questo comportamento trattando la luce come raggi: nei mezzi omogenei procedono in linea retta; quando incontrano superfici rifrangenti, cambiano direzione secondo leggi definite.

Una lente convergente porta raggi luminosi verso un fuoco; una lente divergente li fa allontanare come se provenissero da un punto. La curvatura delle superfici, l’indice di rifrazione del materiale e la distanza fra oggetto, lente e immagine determinano ingrandimento, messa a fuoco, aberrazioni. La trasparenza consente alla luce di attraversare il materiale; la geometria della superficie decide la traiettoria dei raggi. Con il vetro piano si ottiene una barriera luminosa. Con la lente si ottiene una trasformazione dell’immagine.

Occhiali, microscopi, telescopi, camere ottiche, obiettivi fotografici e strumenti di misura nascono da questa manipolazione geometrica della luce. La chimica del silicio e dei silicati resta necessaria in ogni passaggio: purezza, omogeneità, indice di rifrazione, dispersione, assorbimento, possibilità di levigare superfici regolari. La scala dell’esperienza scientifica cambiò quando superfici trasparenti e levigate permisero di correggere la vista, ingrandire il piccolo, avvicinare l’inaccessibile, scomporre e raccogliere la luce. Cellule, microrganismi, cristalli, capillari, pianeti, satelliti, righe spettrali entrarono nella conoscenza attraverso materiali capaci di deviare i raggi in modo regolare. Il vetro ottico segna così un uso nuovo dei composti del silicio: la forma serve a produrre un’immagine.

Ossidiana, vetro piano e lente mostrano tre modi successivi di ottenere funzione dalla struttura silicea e dalle sue proprietà di interazione con la luce. L’ossidiana dà un bordo tagliente perché una rete amorfa si frattura secondo superfici regolari. Il vetro piano dà trasparenza perché la rete amorfa lascia passare la luce visibile e resta stabile in lastra. La lente dà immagine perché quella stessa trasparenza viene combinata con una superficie curva e con un indice di rifrazione controllabile. In tutti e tre i casi, la chimica del silicio diventa funzione attraverso la forma.

Vi è però ancora altro che il silicio e i silicati possono fare.

Il silicio è tetravalente, come il carbonio: in un cristallo puro ogni atomo forma quattro legami covalenti con gli atomi vicini, costruendo un reticolo regolare. Questo reticolo non è un metallo e non è un isolante perfetto; è un semiconduttore, cioè un materiale la cui conducibilità elettrica può essere regolata.

Nel silicio questa regolazione avviene attraverso il drogaggio: l’introduzione di quantità molto piccole e controllate di altri atomi. Fosforo o arsenico possiedono un elettrone di valenza in più rispetto al silicio e producono regioni di tipo n, ricche di elettroni disponibili; boro e altri elementi trivalenti possiedono un elettrone di valenza in meno e producono regioni di tipo p, dove il trasporto elettrico avviene attraverso lacune. Le giunzioni tra regioni diverse permettono di controllare il movimento delle cariche. In elettronica, quindi, la funzione del silicio nasce dalla chimica del reticolo cristallino: stessi legami di base, impurità dosate, regioni con proprietà elettriche differenti.

Il successo industriale del silicio dipese anche dalla possibilità di far crescere sulla sua superficie uno strato aderente, stabile ed elettricamente isolante di biossido di silicio. La coppia silicio-ossigeno, che nella crosta terrestre costruisce silicati e nella tecnologia del vetro reti trasparenti, nel wafer produce, passivazione, isolamento, maschera, interfaccia. Nel processo planare di Jean Hoerni, alla Fairchild, lo strato di ossido proteggeva le giunzioni e migliorava l’affidabilità dei transistor. Robert Noyce comprese poi che più dispositivi potevano essere realizzati sullo stesso pezzo di silicio e collegati depositando piste metalliche sopra l’ossido. Il circuito integrato nasce da questa combinazione: silicio cristallino per controllare le cariche, biossido di silicio per isolare, proteggere e definire superfici tecniche.

Nel MOSFET, transistor metallo-ossido-semiconduttore a effetto di campo, questa relazione diventa la struttura stessa del dispositivo. Mohamed Atalla e Dawon Kahng mostrarono ai Bell Labs un transistor a gate isolato funzionante: un elettrodo di controllo separato dal silicio da uno strato isolante, storicamente biossido di silicio. Applicando una tensione al gate, il campo elettrico modifica la conduzione nel canale sottostante tra source e drain. La corrente viene regolata attraverso l’isolante, senza contatto diretto tra gate e canale. La logica digitale moderna ha moltiplicato questo principio in miliardi di dispositivi miniaturizzati su una stessa fetta di silicio.

Il chip combina quindi due chimiche del silicio. La prima è quella del cristallo semiconduttore: reticolo ordinato, drogaggio, giunzioni, canali di conduzione. La seconda è quella dell’ossido: SiO₂ stabile, aderente, isolante, capace di separare elettricamente e proteggere superfici. 

Nei silicati della crosta, il legame Si–O costruisce tetraedri, catene, fogli, reticoli: strutture abbastanza stabili da formare rocce, sabbie, argille, suoli. L’acqua ne libera lentamente acido silicico; sulle superfici argillose, cariche e spazi lamellari concentrano molecole organiche e ne cambiano le possibilità di reazione. Nelle cellule, quel precursore solubile torna solido: le diatomee ne fanno frustule perforate, le spugne spicole ordinate attorno a filamenti proteici, le piante fitoliti incorporati nei tessuti. Portata in un vetro naturale, la rete silicea dà all’ossidiana una frattura regolare e margini taglienti; modificata con soda e calce, diventa vetro lavorabile, recipiente, lastra, finestra; levigata in superfici curve, diventa lente e trasforma la traiettoria dei raggi luminosi; separata dall’ossigeno, purificata in cristallo, drogata e poi ricoperta di nuovo dal suo ossido, diventa transistor.

Il silicio non è diventato una delle grandi biomolecole della vita terrestre: non ha costruito il codice genetico, non ha formato proteine, non ha preso il posto del carbonio nei polimeri centrali del metabolismo. È stato reclutato come materiale. La sua utilità biologica e tecnica nasce dalla possibilità di controllarne stato, superficie, ordine atomico, purezza, idratazione, frattura, trasparenza, rifrazione, conducibilità, isolamento. Una diatomea e un microprocessore appartengono a mondi lontanissimi, ma in entrambi i casi la funzione dipende da una geometria: pori in una parete minerale, regioni drogate in un cristallo, ossido isolante su una superficie.

Il silicio mostra che una proprietà chimica diventa tecnologia quando viene trasformata in forma controllata. Tagliare, proteggere, sostenere, contenere, illuminare, rifrangere, isolare, modulare corrente: ogni verbo corrisponde a una struttura. Pochi legami atomici, organizzati su scale diverse, hanno prodotto alcune delle forme più decisive attraverso cui la materia è entrata nella storia degli organismi e dell’uomo.

credit foto: Massimo Brizzi