Silicium – Eine kurze Geschichte der Menschheit

Das Silicium: Kein Element kommt häufiger in unserem Alltag vor, ohne dass wir uns dessen normalerweise bewusst wären. Dies betrifft nicht nur die Gegenwart, Silicium spielte schon in der Frühzeit der Menschheit eine bedeutende entwicklungsgeschichtliche Rolle. Das Element ist Grundvoraussetzung und zugleich Menetekel wesentlicher Kulturtechniken der menschlichen Zivilisation. Dennoch hält es sich in typischer Bescheidenheit im Hintergrund und überlässt das Scheinwerferlicht in so manchem Fall anderen Protagonisten.

Die ersten Feuerzeuge

Schon in der Frühzeit seiner Entwicklung wusste der Mensch – wenn auch unbewusst – die Segnungen des Siliciums zu schätzen. Der Feuerstein (lat. Silex) ist Namenspatron des Elements; er besteht im Wesentlichen aus Siliciumdioxid (SiO2). Natürliche Silikate sind aber auch wesentlicher Bestandteil vieler anderer gesteinsbildender Minerale, die ihrerseits die Grundlage für die ersten erhaltenen Werkzeuge des Vormenschen waren, mit denen wohl schon vor 3,3 Millionen Jahren z.B. harte Nüsse und Knollen zertrümmert und Fleischfetzen von Tierkadavern getrennt werden konnten. Vor etwa 1,5 Millionen Jahren finden sich nun erstmals die aus quartz- und damit siliciumreichen Mineralien hergestellten Faustkeile. Mit der Besiedlung der gemäßigten Zonen nördlich der eurasischen Hochgebirge frühestens vor einer Millionen Jahre kann die Beherrschung des Feuers angenommen werden, um sich in diesen kühleren Regionen vor Kälte und Raubtieren schützen zu können. Der erste Beleg für ein Feuerzeug ist allerdings erst 35.000 bis 40.000 Jahre alt und stammt aus der Vogelherdhöhle bei Stetten in Baden-Württemberg. Dort fand sich eine siliciumfreie Pyritknolle (FeS2), die als Funkenspender fungiert hat. Aber erst zusammen mit dem Funkenlöser, wie einem handlichen, langschmalen Gerät aus hartem Feuerstein, und einem Funkenfänger - dem Zunder - ließ sich Feuer entfachen. Hier fungierte also das Silicium in der Rolle eines Vermittlers, um die lebensspendende Wärmequelle zu entzünden.[1]


„Dual-use“

Die Härte des Silex aber auch die Effektivität, mit der es sich zu spitzen und scharfen Werkzeugen bearbeiten lässt, machte es schnell zu einem begehrten Material. Bezeichnenderweise hatte man mit den ersten Werkzeugen gleichzeitig effizientere Waffen zur Hand, eine Ambivalenz ("Dual-use"), die nicht nur das Element Silicium bis in die heutige Zeit begleitet. Für die Erschließung von Silexvorkommen war der entwickelte Mensch bereit, große Mühen auf sich zu nehmen. Besonders qualitätsvolle Lagerstätten wurden bereits in der Jungsteinzeit bergmännisch abgebaut, und der Rohstoff wurde zu einer gefragten Handelsware. Die Produkte in Form von Beilen, Sicheln oder prächtigen Dolchen finden sich als Prestigegüter vereinzelt in den Gräbern von Personen, denen aufgrund ihrer Grabausstattung eine besondere gesellschaftliche Position zugeschrieben wird (Abb. 1).[2] Die Eigenschaften des Siliciums in seinen sauerstoffgebundenen Erscheinungsformen bildet die Grundlage dieses und vieler anderer Werkstoffe, die die Basis für vielfältige Innovationen in der Kulturgeschichte dargestellt haben.

Abbildung 1.

Liebe zum Sauerstoff

Silicium ist nach dem Sauerstoff das zweithäufigste Element der Erdkruste. Kein Wunder, dass es sich in Form von Oxiden und Silikaten in den meisten der gängigen Baumaterialien findet, z.B. in Beton und Zement, in Gläsern und im Ton der Ziegel. Seine hervorstechendste Eigenschaft ist in der Tat die Liebe zu Sauerstoff, die so groß ist, dass es bis ins frühe 19. Jahrhundert dauerte, bevor es im Labor vom Sauerstoff befreit und eindeutig als Element klassifiziert werden konnte.

In der zu dieser Zeit erblühenden Wissenschaft Chemie kam dem Silicium die Rolle eines Prüfsteins zu. Mit der Entdeckung des (von Mendelejew als Eka-Silicium vorhergesagten) Germaniums durch Winkler feierte das Periodensystem der Elemente gegen Ende des 19. Jahrhunderts einen triumphalen Erfolg, der dessen Akzeptanz in der Welt der Wissenschaft endgültig sicherte. Damit war die Grundlage für die nur wenig später erfolgten Überlegungen zum Atombau gelegt, die die Chemie revolutionierten und in der Entwicklung der Quantenmechanik kulminierten.



Silikone – die ersten Hybridmaterialien

Obwohl Friedel und Crafts Tetraethylsilan bereits in den frühen 1860er Jahren beschrieben hatten, hatte die siliciumorganische Chemie als solche zunächst einen schweren Stand, was wohl auch damit zu tun hatte, dass Silicium im Wesentlichen zur unbelebten Natur gerechnet wurde. Vor dem Hintergrund dramatischer Fortschritte in der metallorganischen Chemie durch Frankland, Grignard Schlenk und andere, nahm sich Frederic Stanley Kipping in Nottingham erneut der organischen Seite des Elements an. Seine Arbeiten über die Hydrolyse von organischen Dichlorsilanen (Abb. 2a) stellten den Ausgangspunkt der Entwicklung der Silikone dar, deren Name er aufgrund der empirischen Formel R2SiO in Analogie zu den organischen Ketonen vorschlug. Zwar stellte bereits Kipping Mutmaßungen über ihren polymeren Aufbau an, zweifelte aber selbst noch gegen Ende seiner wissenschaftlichen Laufbahn an den Entwicklungsperspektiven der Silikone, sowohl aus akademischer als auch wirtschaftlicher Hinsicht.[3] Nur wenige Jahre später wurde aber während des 2. Weltkriegs in den USA und im sächsischen Dresden unabhängig voneinander durch Eugene Rochow und Richard Müller das im angelsächsischen Raum unter dem Namen "Direct Process" bekannt Müller-Rochow-Verfahren zur Herstellung von Dimethyldichlorsilan entwickelt (Abb. 2b) und so die ökonomische Basis für die florierende Silikonindustrie unserer Zeit gelegt. Silikone waren die ersten Hybridmaterialien: sie vereinigen die günstigen Eigenschaften petrochemisch hergestellter Kunststoffe und Schmiermittel mit ungewöhnlich hoher thermischer Belastbarkeit und finden daher Anwendung in den unterschiedlichsten Bereichen: auf der Baustelle ebenso wie in der Küche oder der Medizintechnik.

Abbildung 2.

Durchbruch der Mikroelektronik dank Silicium

Dem Silicium in elementarer Form kommt hier letztlich nur die Rolle eines Zwischenprodukts zu, am Ende ist es dessen alte Liebe zum Sauerstoff, die den Silikonen ihre hohe Stabilität verleiht. Durch die Verfügbarkeit großer Mengen von Silicium war es jedoch nur eine Frage der Zeit bis es auch als Element ins Rampenlicht rücken würde. Seine halbleitenden Eigenschaften waren schon in der ersten Hälfte des 20. Jahrhunderts erkannt worden, erst aber das dem Müller-Rochow-Prozess konzeptionell ähnliche Siemens-Verfahren (Abb. 2c) zur Darstellung hochreinen Siliciums ermöglichte den Durchbruch der Mikroelektronik und damit den bis heute andauernden Siegeszug des Siliciums in elementarer Form. Damit prägte das Silicium auch die vorerst letzte kulturgeschichtliche Revolution, nämlich den Übergang ins Computer- und Kommunikationszeitalter.

 

Offene Fragen und Zukunftspotenzial

Selbst heute sind viele der grundlegenden Prozesse der Siliciumindustrie nur teilweise verstanden. Während des vergangenen Jahrhunderts trug u.a. die Grundlagenforschung der elementorganischen Chemie entscheidend zu diesem Verständnis bei: die Isolierung von per se hochreaktiven und daher in industriellen Verfahren eigentlich nur intermediär auftretenden Strukturmotiven wie z.B. von Silylenen 1, Disilenen 2, Trisilaallenen 3 und Tetrasilabutadienen 4 gelang durch den Einsatz räumlich anspruchsvoller Schutzgruppen (Abb. 3).[4] Obwohl diese repräsentativen ungesättigten Verbindungstypen aus der Organischen Chemie als entsprechende Kohlenstoffverbindungen wohlbekannt sind, ergaben sich aus den strukturellen Besonderheiten des Siliciums wichtige allgemeingültige Erkenntnisse zur Natur der chemischen Bindung. Zunehmend rücken daher auch Moleküle ins Zentrum der Aufmerksamkeit, die in der Organischen Chemie gänzlich unbekannt sind, wie z.B. die thermodynamisch deutlich stabilere Variante 5 des hypothetischen Hexasilabenzols.[5] Die im Vergleich zur Organischen Chemie erheblich größere Vielfalt ungesättigter, teilweise wie 5 clusterartiger Verbindungen dürfte immer noch unermessliches chemisches Neuland bieten, dass der Kartierung durch die präparative siliciumorganische Chemie harrt. Gleichwohl wird neben dem Verständnis von Struktur und Reaktivität auch der gezielte Einsatz derartiger Derivate in materialchemischen Fragestellungen eine Rolle spielen. Beispielsweise ist die prinzipielle Möglichkeit der Verwendung von mit 2 verwandten Disilenen in organischen LEDs jüngst gezeigt worden.[6] Ohne Zweifel wird daher ein zukünftiger Schwerpunkt der Untersuchungen auf der gezielten Manipulation sowohl vertrauter als auch fremdartig anmutender Strukturen mithilfe peripher installierter funktioneller Gruppen eine Rolle spielen.[7]

Abbildung 3.

Ob diese jüngsten Entwicklungen in der Geschichte des Siliciums eines Tages auch kulturelle Bedeutung erlangen werden ist zumindest fraglich. Keinen Zweifel hingegen gibt es, dass das Silicium die Menschheit auch in Zukunft im Guten wie im Schlechten in all seinen Erscheinungsformen begleiten wird und wir daher weiterhin keine Mühe scheuen sollten, seine einzigartigen Eigenschaften besser zu verstehen.

Literatur

[1] Archäologisches Landesmuseum Baden-Württemberg und Abteilung Ältere Urgeschichte und Quartärökologie der Eberhard Karls Universität Tübingen (Hrsg.), Eiszeit. Kunst und Kultur. Ostfildern 2009.

[2] T. Otten, J. Kunow, M. M. Rind, M. Trier (Hrsg.), Revolution Jungsteinzeit. Schriften zur Bodendenkmalpflege in Nordrhein-Westfalen 11,1. Bonn 2015.

[3] F. S. Kipping, Proc. Royal Soc. London A 1937, 159, 139-148.

[4] (a) Y. Mizuhata, T. Sasamori, N. Tokitoh, Chem. Rev. 2009, 109, 3479–3511; (b) R. C. Fischer, P. P. Power, Chem. Rev. 2010, 110, 3877–3923;

[5] K. Abersfelder, A. J. P. White, R. J. F. Berger, H. S. Rzepa, D. Scheschkewitz, Angew. Chem. 2011, 123, 8082–8086; Angew. Chem. Int. Ed. 2011, 50, 7936–7939.

[6] K. Tamao, M. Kobayashi, T. Matsuo, S. Furukawa, H. Tsuji, Chem. Commun. 2012, 48, 1030–1032.

[7] C. Präsang, D. Scheschkewitz, Chem. Soc. Rev. 2016, im Druck, DOI: 10.1039/C5CS00720H.