浅析在多种领域“叱咤风云”的二氧化硅
2020-12-22 08:49:02
硅在自然界中分布广泛，在地壳中的含量仅次于氧。而二氧化硅则是硅氧化物中一个极其优秀的存在。本文将与大家探索不同形态的二氧化硅是如何在各个领域“叱咤风云”的。
图为二氧化硅晶体结构
广泛一点来说，二氧化硅在自然界中因为结构不同而存在不同的矿物，当二氧化硅结晶完美时就是水晶；二氧化硅胶化脱水后就是玛瑙；二氧化硅含水的胶体凝固后就成为蛋白石；二氧化硅晶粒小于几微米时，就组成玉髓、燧石、次生石英岩。
石英是一种物理性质和化学性质均十分稳固的二氧化硅矿产资源，一般较纯净的石英可用来制造石英玻璃，用于制造耐高温的化学仪器、光导纤维等。无色透明的石英结晶体矿水晶，常用来制造电子工业的重要部件、光学仪器，也用来制成高级工业品和眼镜片等，质量再差一些的可以用于制备酒杯，果盘等。低纯度的二氧化硅便可以做玻璃，质量再差的可以烧制硅酸钠，俗称水玻璃，可以用于填充剂，粘合剂等。
二氧化硅的各种用途
再细致一些，当SiO₂制成不同状态不同材料时，又是怎么发挥自己的独特优势呢？
SiO₂薄膜
虽然高纯的单晶Si是重要的半导体材料，但SiO₂却是优秀的绝缘材料，并且具有非常稳定的化学性质，这使它被广泛应用于集成电路制造业中。在集成电路制造中主要起到以下几个作用：
掩蔽杂质——在集成电路制造中，如硼、磷、砷等常用杂质在SiO₂膜中的扩散要比在Si中慢得多，因此，在制作半导体器件的各个区时，最常用的方法是首先在硅圆片表面生长一层SiO₂膜，经过光刻、显影后，再刻蚀掉需掺杂区域表面的氧化膜，从而形成掺杂窗口，最终通过窗口选择性地将杂质注入相应的区域中。
栅氧化层——在MOS/CHOS集成电路的制造工艺中，通常用SiO₂作为MOS晶体管的绝缘栅介质，即栅氧层。
介质隔离——集成电路制作中的隔离方法有PN结隔离和介质隔离，其中介质隔离通常选择的就是SiO₂氧化膜。
绝缘介质——SiO₂作为一种理想的绝缘体，在多层金属布线结构中，它可用作上下两层金属之间的绝缘介质，防止金属之间发生短路。
二氧化硅作为栅氧和场氧
SiO₂气凝胶
SiO₂气凝胶是目前世界上密度最低和导热率最小的固体材料，且具有较高的比表面积、大空容、低声阻抗等特点。目前建筑材料的隔热性能普遍较差，SiO₂气凝胶凭借其自优异的性能成为一种环保型的高效保温隔声轻质建材，如气凝胶毡、气凝胶节能窗、气凝胶涂料、气凝胶新型板材等。且SiO₂气凝胶还能制成透明或半透明材料，可有效透过太阳光，是一种很好的绝热透明材料，可做成太阳能电器盖、太阳能储存器等。
图中黑色材料为气凝胶材料，用火焰喷枪烧烤，当气凝胶的表面变红，而下方的人员无恙
SiO₂气凝胶还具有高孔隙率、高比表面积、低密度、高热稳定性，且孔洞与外界相通的特点，是性能良好的吸附剂。例如用它作室温气体捕获剂，吸附燃气中的气体，处理废水、废气、放射性废物、吸附核燃料等，这方面的研究对人类的可持续发展具有深远意义。SiO₂气凝胶还可用于作药物载体，可有效提高药物的溶解和吸收性，还能通过改变气凝胶的疏水性来控制药物释放速度，达到更好的医疗效果。SiO₂气凝胶改性后还可以用作化学催化剂载体、无害高效杀虫剂等。
图为亲水SiO₂气凝胶微球
纳米SiO₂材料
纳米SiO₂俗称“超微细白炭黑”，是纳米材料中重要的一员，它的应用领域十分广阔，几乎涉及到所有应用二氧化硅粉体的行业。
纳米SiO₂作为涂料的重要助剂之一，它的开发与应用为涂料的发展注入了新的活力，可利用其各种特殊效应来提高涂料各方面的性能。例如，纳米SiO₂具有极强的紫外吸收、红外反射特性，添加至涂料中能达到抗紫外老化和热化、增加韧性弹性、耐老性等特性，显著改善涂料的自清洁、防水防渗、防磨损、防腐蚀、保色性等性能；添加到钢结构防火涂料中可以提高防火涂料膨胀后炭质层的强度，延长钢结构的耐火极限等。此外，纳米SiO₂在塑料涂料、喷墨纸涂料、水性木器涂料等中也有及其重要的应用。
图（1）纳米SiO₂在建筑涂料中的应用 （2）以SiO₂为填料的保温隔热涂料
（3）纳米SiO₂在彩色喷墨打印纸涂料中的应用
通过添加纳米SiO₂对有机颜（染）料进行表面改性处理，可使其性能大幅提高，提高亮度、色调和饱和度等指标，极大地拓宽了档次和应用范围。
将分散好的纳米SiO₂颗粒均匀地添加到树脂材料和普通橡胶中, 可全面改善树脂基材料和橡胶填料性能，如强度 、韧性、延展性以及抗老化性、保色性等。
纳米SiO₂还是电子封装材料及密封胶重要添加原料，纳米SiO₂形成网络结构可以抑制胶体流动,、提高固化速率、提高粘结效果 ,增加胶的密封性。
在玻璃钢制品中添加纳米SiO₂颗粒，可使材料韧 性增加，抗拉强度和抗冲击强度提高，耐热性能也大幅提高。而在陶瓷中添加纳米SiO₂,可使其结构更加致密 ,并提高强度性能和改善冷热疲劳性能。SiO₂填充聚氯乙烯农用薄膜, 利用它透光、粒度小的特点 ,可以使塑料变得更致密, 特别是半透明塑料膜,添加SiO₂可大大提高透明度、强度、韧性、防水性能。
纳米SiO₂为无机成分，易于与化妆品其它组分配伍，无毒、无味，自身为白色，反射紫外能力强、稳定性好，被紫外线照射后不分解，不变色，也不会与配方中其它组分起化学反应。如，添加至指甲油及唇膏中可令色素分布均匀、提高耐温性；加入的防晒产品中可使体系更均匀、更稳定、改善涂抹时的肤感和手感，全面提高产品性能。
口红中加入SiO₂令色素分布均匀
介孔SiO₂纳米材料
介孔SiO₂纳米材料兼具了介孔材料和纳米材料的双重特性，且合成方便、价格低廉，在传统介孔材料领域之外还在多种领域显示出了极大的应用前景。由于介孔SiO₂纳米材料具有独特的孔道结构、较大的孔道半径使之能够包埋生物大分子，还有良好的热稳定性、光学透明性和化学惰。作为催化剂载体，它能增强催化剂的稳定性、反应活性和选择性；作为良好的药物载体,能够实现对药物的靶向输送和控制释放；且在生物固化、生物传感系统、基因载体等方面皆具有很大的应用价值。虽然国内外的许多研究组使用了不同的方法进行尝试, 但是制备粒径均一的、单分散的、尺寸可控的介孔二氧化硅纳米粒子仍然是一大难点。
介孔SiO₂纳米载药体系能智能识别核孔复合体，避免核孔复合体对外来异质结构的排外作用，穿越核膜，进入细胞核，将药物原位释放在细胞核靶点周围，大幅增强抗癌效果
总之，各种状态的二氧化硅都具备重要的应用价值，而今，二氧化硅资源虽丰富, 但利用率低, 若能加大科研力度,开发利用SiO₂资源的新技术, 研制新产品，定能在众多领域中掀起一股新浪潮。
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