Wie Smartphones wirklich funktionieren

Haben Sie sich jemals gefragt, wie ihr Smartphone funktioniert? Gehen Sie mit Forscherin Cathy Mulzer auf eine Reise in the Welt der Atome, wo sie uns erklärt wie fast jeder Bestandteil unserer electrischen Geräte Chemikern zu verdanken ist - nicht nur den Sillicon Valley Unternehmern, an die die meisten denken. Oder in Ihren eigenen Worten: "Chemie ist die Heldin elektronischer Kommunikation."

Als ich mit meinem neuen Nokia
in die Schule tänzelte,

dachte ich, ich habe
den besten neuen Ersatz

für meinen alten rosanen
Prinzesinnen Walkie-Talkie.

Jetzt konnte ich mit meinen
Freunden schreiben und reden,

egal wo wir sind,

anstatt nur so zu tun,

während wir durch
unsere Hinterhöfe rennen.

Ich will nicht lügen.

Damals habe ich nicht
viel darüber nachgedacht,

wie diese Geräte gemacht werden.

Sie tauchten oft am Weihnachtsmorgen auf,

also vielleicht haben sie
die Weihnachtselfen

in der Nikolauswerkstatt gemacht.

Ich möchte Ihnen eine Frage stellen.

Wer, glauben Sie, sind die wahren Elfen,

die diese Geräte machen?

Die meisten Leute, die ich kenne,

denken an Computeringenieure
in Sillicon Valley,

die im Kaputzenpulli vor sich hin coden.

Aber viel muss
mit diesen Geräten passieren,

bevor sie bereit
für jegliche Art von Code sind.

Diese Geräte beginnen
auf der atomaren Ebene.

Wenn Sie mich fragen,

die wahren Elfen sind die Chemiker.

Ja, ich habe Chemiker gesagt.

Chemie ist die Heldin
elektronischer Kommunikation.

Und mein Ziel heute ist,
Sie zu überzeugen,

mir hierin zuzustimmen.

Okay, wollen wir einfach anfangen.

Werfen wir einen Blick in diese
so süchtig machenden Geräte.

Denn ohne Chemie,

wäre diese Informationsautobahn,
die wir so lieben,

nicht anderes als ein überteuerter
glänzender Briefbeschwerer.

Chemie macht alle
diese Schichten erst möglich.

Fangen wir mit dem Display an.

Woher, glauben Sie, kommen
die hellen, lebendingen Farben,

die wir so lieben?

Ich sage es Ihnen.

Durch organische Polymere,
die im Display eingebaut sind,

die Elektrizität in das blau,
rot und grün verwandeln können,

das uns in unseren Bildern Freude macht.

Wie sieht es mit der Batterie aus?

Hierzu wird intensiv geforscht.

Wie nutzen wir die chemischen
Grundlagen traditioneller Batterien,

und kombinieren sie mit neuen,
breitflächigen Elektroden,

sodass mehr Ladung
in einen kleineren Raum passt,

damit unsere Geräte
den ganzen Tag Strom haben,

während wir Selfies machen,

ohne die Batterien aufladen zu müssen,

oder an der Steckdose
festgekettet zu sein.

Was ist mit den Klebemitteln,
die alles zusammenhalten,

sodass es unserer ständigen
Nutzung stand hält?

Schließlich muss ich als Millenial

mindestens 200 mal am Tag,
auf mein Mobiltelefon schauen,

und lasse es dabei
bestimmt zwei bis dreimal fallen.

Aber was ist das wahre
Gehirn dieser Geräte?

Wodurch funktionieren sie so,
wie wir sie lieben?

Das liegt alles an elektrischen
Komponenten und Schaltkreisen,

die an einer Leiterplatte befestigt sind.

Oder vielleicht bevorzugen Sie
eine biologische Metapher,

das Motherboard, das haben Sie
vielleicht schon gehört.

Über die Leiterplatten
wird nicht viel gesprochen.

Um ehrlich zu sein, weiß ich nicht wieso.

Es ist wohl die am wenigsten
attraktive Schicht,

versteckt hinter
all den glänzenden Schichten.

Aber es wird Zeit
dieser Clark Kent Schicht,

endlich das Superman-würdige
Lob zu geben, das sie verdient.

Also frage ich Sie:

Was glauben Sie ist eine Leiterplatte?

Versuchen Sie es mit dieser Metapher.

Denken Sie an die Stadt,
in der Sie wohnen.

Da sind all diese Knotenpunkte,
zu denen Sie gelangen möchten:

Ihr Zuhause, Ihre Arbeit, Restaurants,

und ein paar Starbucks an jeder Ecke.

Also bauen wir Straßen,
um sie alle zu verbinden.

Das sind die Leiterplatten.

Nur, anstelle von Dingen wie Restaurants,

haben wir Transistoren auf Elektrochips,

Kondensatoren und Widerstandskörper,

alle diese elektronischen Komponenten,

die einen Weg finden müssen,
miteinander zu sprechen.

Also, was sind unsere Straßen?

Nun, wir bauen winzige Kupferdrähte.

Also ist die nächste Frage:

Wie machen wir
diese winzigen Kupferdrähte?

Sie sind wirklich winzig.

Können wir einfach in den Baumarkt gehen,

eine Spule Kupferdraht kaufen,

und dazu einen Drahtschneider,
ein bisschen schnipp-schnapp,

wir schneiden alles zusammen
und dann, bam --

schon haben wir unsere Leiterplatte?

Auf keinen Fall.

Die Drähte sind dafür viel zu klein.

Wir müssen uns auf unsere
Freundin verlassen: Die Chemie.

Der chemische Prozess,

der winzige Kupferdrähte
ermöglicht, scheint einfach.

Wir beginnen mit einer Lösung

aus positiv gelandenen Kupferkugeln.

Wir geben eine isolierende
Leiterplatte hinzu,

und füttern diesen
positiv gelandenen Kugeln,

negativ geladene Elektronen,

indem wir Formaldehyd dazugeben.

Vielleicht erinnern Sie sich
an Formaldehyd.

Es hat einen ganz besonderern Geruch.

Es wird im Biologieunterricht genutzt,
um Frösche zu konservieren.

Tatsächlich kann es noch viel mehr.

Es ist wirklich der Schlüsselkomponent,

um diese winzigen Kupferdrähte zu machen.

Sehen Sie, die Elektroden
im Formalaldehyd sind unruhig.

Sie wollen rüber zu den
positiv gelandenen Kupferdrähten.

Schuld ist ein Prozess,
den wir Redoxchemie nennen.

Und wenn das passiert,

können wir diese
postiv geladenen Kupferdrähte

in helles, glänzendes, metallisches und
leitendes Kupfer verwandeln.

Sobald wir leitendes Kupfer haben,

kommen wir der Sache endlich näher!

Nun können wir all die
elektrischen Komponenten,

miteinander reden lassen.

Also, noch einmal: Danke, Chemie!

Denken wir mal darüber nach,

wie weit wir mit Chemie gekommen sind.

Natürlich kommt es
in elektronischer Kommunikation

auf die Größe an.

Jetzt überlegen Sie mal, wie klein
unsere Geräte geworden sind,

sodass wir vom 1990ger
Zack Morris Mobiltelefon,

zu etwas ein wenig eleganterem kommen,

wie den Smartphones von heute,
die in unsere Hosentasche passen.

Obwohl, seien wir ehrlich:

Überhaupt nichts passt in
Frauenhosentaschen,

wenn man überhaupt mal eine
Hose mit Hosentaschen findet.

(Gelächter).

Und ich glaube, da kann Chemie
auch nicht helfen.

Aber noch wichtiger als
das Gerät selbst zu verkleinern,

wie verkleinern wir
die Schaltkreise darin,

und das mehr als um ein 100faches,

sodass wir die Schaltkreise von Mikrometer

auf Nanometer Maßstab
herunterbrechen können.

Denn, seien wir ehrlich,

wir wollen alle leistungsfähigere
und schnellere Handys.

Mehr Leistung und Geschwindigkeit,

braucht mehr Schaltkreise.

Also, wie machen wir das?

Wir haben ja keinen magischen
Elektromagnetenverkleinerungslaser

wie der mit dem Prof. Wayne Szalinski

in "Liebling, ich habe
die Kinder geschrumpft.",

die Kinder schrumpft.

Unabsichtlich, natürlich.

Oder doch?

Im Feld gibt es tatsächlich

einen Prozess der sehr ähnlich ist.

Er nennt sich Photolithographie.

In Photolithographie nehmen wir
elektromagnetische Strahlung,

auch Licht genannt,

und nutzen es um Schaltkreise
zu verkleinern,

sodass mehr davon weniger Platz braucht.

Wie funktioniert das?

Wir beginnen mit einer Basisplatte,

mit einem lichtempfindlichen Überzug.

Darauf kommt eine Maske mit einem Muster

aus feinen Linien und Merkmalen,

durch die das Smartphone funktioniert,

wie wir es möchten.

Wir lassen dann ein helles Licht
durch die Maske scheinen.

Das zeichnet das Muster als
Schatten auf der Oberfläche ab.

Überall wo das Licht
durch die Maske kommt,

löst es eine chemische Reaktion aus.

Das brennt ein Abbild
des Musters in die Basisplatte.

Nun fragen Sie sich wahrscheinlich:

Wie kommen wir
von einem eingebrannten Bild,

zu sauberen feinen Linien und Merkmalen.

Hierfür benötigen wir
eine chemische Lösung,

die sich Entwicklerlösung nennt.

Die Entwicklerlösung ist
etwas ganz besonderes.

Sie kann alle lichtverdeckten
Bereiche nehmen,

sie selektiv entfernen,

und lässt dann nur saubere
feine Linien zurück,

die unsere Miniaturgeräte
funktionieren lassen.

Also, wir haben Chemie verwendet
um unsere Geräte zu bauen,

und um sie zu verkleinern.

Ich habe Sie wohl überzeugt, dass
Chemie hier die wahre Heldin ist

und damit könnten wir Schluss machen.

(Applaus)

Moment, wir sind noch nicht fertig.

Nicht so schnell.

Denn wir sind ja alle Menschen.

Und als Mensch will ich immer noch mehr.

Also will ich jetzt nachdenken,
wie wir Chemie nutzen können,

um noch mehr aus einem
Gerät herauszuholen.

Zur Zeit wird uns gesagt,
das wir etwas namens 5G wollen,

die versprochene 5.Generation
drahtloser Kommunikation.

Vielleicht haben Sie von 5G gehört,

so langsam taucht es in Werbespots auf.

Oder vielleicht haben manche
es sogar miterlebt,

zum Beispiel auf der 2018 Winterolympiade.

Was ich an 5G am aufregendsten finde,

wenn ich spät dran bin,

wenn ich aus dem Haus renne,
um einen Flug zu kriegen,

dann kann ich in 40 Sekunden
einen Film auf mein Gerät laden,

anstelle von 40 MInuten.

Aber wenn 5G mal so richtig da ist,

wird es noch viel mehr sein als nur,

wie viele Filme ich
auf mein Gerät laden kann.

Also stellt sich die Frage,
warum ist 5G noch nicht richtig da?

Da verrate ich Ihnen
ein kleines Geheimnis,

die Frage ist ziemlich
einfach zu beantworten.

5G ist einfach unglaublich
schwer zu entwickeln.

Wenn Sie die traditionellen
Materialien und Kupfer benutzen,

um 5G Geräte zu machen,

kommt das Signal
nicht an seinem Ziel an.

Traditionell benutzen wir
sehr raue Isolierschichten,

um die Kupferdrähte zu stützen.

Denken Sie an Klettverschlüsse.

Es ist die Rauheit der beiden Teile,
die sie zusammenhängen lassen.

Das ist sehr wichtig für ein Gerät,

das länger halten sollte,

als Sie dafür brauchen,
es aus dem Karton zu reißen,

und alle Apps darauf zu installieren.

Aber diese Rauheit ist problematisch.

Sehen Sie, mit 5G Geschwindigkeit,

muss sich das Signal
nahe an dieser Rauheit bewegen.

Und deshalb geht es verloren,
bevor es sein Ziel erreicht.

Denken Sie an eine Bergkette,

und ein kompliziertes
Straßensystem, das darüber führt,

und sie versuchen,
auf die andere Seite zu kommen.

Stimmen Sie mir zu,

das das wahrscheinlich
sehr lange dauern würde,

und Sie sich wahrscheinlich
verirren würden,

wenn Sie diese ganzen Berge
hoch und runter müssten?

Anstelle dessen,
wie wäre es mit einem Tunnel,

der direkt durch die Bergkette geht?

Nun, mit 5G Geräten ist es das gleiche.

Wenn wir diese Rauheit entfernen könnten,

könnten wir 5G Signale direkt senden.

Ununtebrochen.

Klingt gut, oder?

Aber Moment,

habe ich nicht gerade gesagt,
wir brauchen die Rauheit,

dass unser Gerät stabil bleibt?

Und wenn wir sie entfernen,
haben wir das Problem,

dass das Kupfer nicht mehr
an der Basisplatte haftet.

Stellen Sie sich vor,
Sie bauen ein Legohaus,

mit all den Noppen, die zusammenpassen.

Im Gegensatz zu glatten Bauklötzen.

Welche Option wird standfester sein,

wenn ein ein zweijähriges Kind
durch Ihr Wohnzimmer stürmt,

und beim Gorillaspiel
versucht alles umzureißen.

Aber was, wenn wir zu diesen
glatten Bausteinen Kleber geben?

Und darauf wartet die Industrie.

Sie wartet, dass Chemiker neue
glatte Oberflächen entwickeln,

an denen die Kupferdrähte
verstärkt von alleine festkleben.

Wenn wir dieses Problem lösen,

und wir werden es lösen,

und wir arbeiten mit Physikern
und Ingenieuren zusammen,

um alle Herausforderungen
bezüglich 5G zu lösen,

dann wird es unzählige
neue Anwendungen geben.

Also ja, wir werden Dinge
wie selbstfahrende Autos haben,

denn nun können unsere Datennetzwerke

mit der Geschwindigkeit und
Informationsmenge mithalten,

die dafür benötigt wird.

Der Fantasie sind keine Grenzen gesetzt.

Ich stelle mir vor,
mit einer Freundin essen zu gehen,

die eine Erdnussalergie hat.

Ich nehme mein Handy heraus,

halte es über das Essen,

und das Essen kann uns eine
sehr wichtige Frage beantworten:

tötlich oder essbar?

Oder vielleicht werden
unsere Geräte so gut darin,

Informationen über uns zu verarbeiten,

dass sie wie persönliche Trainer werden,

da sie wissen, wie wir am
effizientesten Kalorien verbrennen.

Im November gehe ich
an diese Schwangerschaftspfunde.

Dann hätte ich gerne ein Gerät,
das mir sagt, wie das geht.

Ich kann es wirklich
nicht anders ausdrücken:

Chemie ist einfach cool.

Und sie macht alle unsere
elektronischen Geräte möglich.

Also nächstes Mal,

wenn Sie eine Nachricht senden
oder ein Selfie machen,

denken Sie an die harte Arbeit
all dieser Atome,

und die Innovation, die vor ihnen kam.

Wer weiß,

vielleicht werden einige von Ihnen,
die diesen Vortrag hören,

sich sogar auf Ihrem Handy

dazu entscheiden,
der Chemie näherzukommen.

Denn Sie ist die wahre Heldin
elektronischer Geräte.

Danke für Ihre Aufmerksamkeit,

und danke Chemie.

(Applaus)