Jak działają smartfony

Zastanawialiście się kiedyś, jak działają smartfony? Naukowczyni Cathy Mulzer zdradzi wam, jak na poziomie atomowym niemal każdy element naszych urządzeń istnieje dzięki chemikom, a nie przedsiębiorcom z Doliny Krzemowej, którym zwykle to przypisujemy. Jak mówi: „to chemia jest prawdziwym bohaterem komunikacji elektronicznej”.

Gdy wparowałam do liceum z nową Nokią,

uważałam ją po prostu
za nowy, fajniejszy zamiennik

starego różowego
walkie-talkie w księżniczki.

Tyle że teraz można było
gadać ze znajomymi

w dowolnym miejscu,

zamiast udawać,

jak podczas biegania razem na dworze.

Szczerze mówiąc,

nie myślałam wtedy o tym,
jak te urządzenia powstają.

Zwykle pojawiały się pod choinką,

więc pewnie zrobiły je elfy,
pomocnicy Świętego Mikołaja.

Mam do was pytanie.

Kim są prawdziwe elfy
tworzące te urządzenia?

Wiele znajomych odpowiada,

że to ci zakapturzeni programiści
z Doliny Krzemowej,

którzy trzepią kody na potęgę.

Ale zanim można zacząć myśleć o kodach,

trzeba przejść wiele innych etapów.

Praca nad takim urządzeniem
zaczyna się na poziomie atomowym.

Dlatego ja odpowiedziałabym,

że prawdziwymi elfami są chemicy.

Właśnie tak, chemicy.

Chemia stanowi podstawę
komunikacji elektronicznej.

Chciałabym was dzisiaj

przekonać do tej opinii.

Zacznijmy od czegoś prostego

i zajrzyjmy do wnętrza
tych niezwykle uzależniających urządzeń.

Gdyby nie chemia,

cała ta infostrada, którą uwielbiamy,

byłaby bardzo drogim,
lśniącym przyciskiem do papieru.

Chemia uaktywnia wszystkie warstwy.

Zacznijmy od wyświetlacza.

Co sprawia, że widzimy jasne, żywe kolory,

które tak uwielbiamy?

Już wam mówię.

Do wyświetlacza wbudowane są
polimery organiczne,

które zamieniają energię elektryczną
na niebieski, czerwony i zielony,

które widzimy na zdjęciach.

A bateria?

W tej kwestii prowadzone są
intensywne badania.

Jak połączyć związki chemiczne
tradycyjnych baterii

z nowymi elektrodami na dużej powierzchni,

aby mimo niewielkiej przestrzeni
urządzenie miało dużą ładowność,

dając zasilanie na cały dzień

robienia sobie selfie

bez konieczności ładowania baterii

albo uwięzienia przy kontakcie?

Co, jeśli skupimy się na substancji
trzymającej to wszystko razem,

która mogłaby sprostać
częstotliwości użytkowania?

Przecież jako milenials

muszę sprawdzić telefon
jakieś 200 razy dziennie,

a przy okazji upuścić go
ze dwa czy trzy razy.

Co jest mózgiem tych urządzeń?

Co sprawia, że działają tak, jak lubimy?

To dzięki elementom elektronicznym
i zespołom obwodów,

które przytwierdzone są
do płytki drukowanej.

A jeśli wolicie metaforę biologiczną:

płyty głównej,
o której pewnie słyszeliście.

Niewiele mówi się o płytce drukowanej.

Szczerze mówiąc, nie wiem dlaczego.

Może nie jest wystarczająco atrakcyjna,

i chowa się pod pozostałymi
atrakcyjnymi warstwami.

Ale może czas najwyższy,
żeby, niczym Clark Kent,

warstwa ta otrzymała
zasłużoną uwagę godną Supermana.

Mam do was pytanie.

Co to jest płytka drukowana?

Pomyślcie o metaforze.

Pomyślcie o mieście, w którym mieszkacie.

Jest kilka miejsc,
do których chcecie się dostać:

dom, miejsce pracy, restauracje,

kilka Starbucksów na każdym rogu.

Budujemy drogi, które połączą te miejsca.

Tym właśnie jest płytka drukowana.

Ale zamiast restauracji,

są tranzystory na chipach,

kondensatory, oporniki

i inne elementy elektroniczne,

które muszą się w jakiś sposób porozumieć.

Jakie są nasze ścieżki?

Budujemy maleńkie przewody miedziane.

Kolejne pytanie:

jak stworzyć takie przewody?

Są naprawdę małe.

Czy wystarczy pójść do sklepu,

wziąć rolkę przewodu miedzianego,

cęgi do cięcia drutu, zaciski,

złożyć wszystko razem i bum,
płytka drukowana gotowa?

Nic z tego.

Te przewody są zdecydowanie za małe.

Musimy tu polegać
na naszym przyjacielu - chemii.

Proces chemiczny wytwarzania
tych maleńkich przewodów miedzianych

wydaje się dość prosty.

Zaczynamy od roztworu

dodatnio naładowanych miedzianych kul.

Dodajemy izolującą płytkę drukowaną

i łączymy te dodatnio naładowane kule

z ujemnie naładowanymi elektronami

przez dodanie aldehydu mrówkowego.

Może go kojarzycie.

Ma bardzo wyrazisty zapach

i używa się go do konserwowania
żab na lekcji biologii.

Okazuje się, że ma
o wiele więcej właściwości.

Jest to główny element

niezbędny do wytworzenia
maleńkich przewodów miedzianych.

Elektrony poruszają się
na aldehydzie mrówkowym.

Chcą przedostać się

do dodatnio naładowanych miedzianych kul.

Dzieje się tak dzięki procesowi
zwanemu reakcją redoks.

Podczas tego procesu

dodatnio naładowane miedziane kule

można zamienić na jasną,

lśniącą, metaliczną i przewodzącą miedź.

Po otrzymaniu przewodzącej miedzi

reszta pójdzie jak z płatka.

Sprawiamy, że wszystkie
elementy elektroniczne

porozumiewają się ze sobą.

Jeszcze raz, dziękuję, chemio.

Zastanówmy się, jak daleko zaszliśmy

dzięki chemii.

Szczególnie w komunikacji elektronicznej

rozmiar ma znaczenie.

Zastanówmy się,
jak zmniejszyć urządzenia,

żeby zamiast topornej komórki z lat 90.

mieć coś smuklejszego,

jak dzisiejsze telefony,
które mieszczą się w kieszeni.

Chociaż, nie oszukujmy się:

zupełnie nic nie mieści się
w kieszeniach damskich spodni,

zakładając, że w ogóle
znajdziesz takie z kieszeniami.

(Śmiech)

Chemia raczej nie pomoże nam
rozwiązać tego problemu.

Ważniejsza od zmniejszenia
samego urządzenia

jest metoda zmniejszenia
zespół obwodów w jego wnętrzu,

i to o 100 razy,

żeby były nie w skali mikro,

a w skali nanometrycznej.

Nie ma co się oszukiwać,

wszyscy chcemy wydajniejszych
i szybszych telefonów.

Większa wydajność i szybkość
wymaga większej liczby zespołów obwodów.

Jak to osiągnąć?

Przecież nie mamy magicznego,
elektromagnetycznego promienia

jak Wayne Szalinski z filmu
"Kochanie, zmniejszyłem dzieciaki",

którym zmniejszył swoje dzieci.

Oczywiście przez przypadek.

A może mamy?

W tej dziedzinie

znany jest proces
o podobnych właściwościach.

Nazywa się on fotolitografia.

Polega on na wykorzystaniu
promieniowania elektromagnetycznego,

potocznie nazywanego światłem,

w celu zmniejszenia zespołu obwodów,

żeby dało się zmieścić ich jak najwięcej
na bardzo małej przestrzeni.

Jak to działa?

Zaczynamy od podłoża

pokrytego fotorezystem.

Przykrywamy go fotomaską

pokrytą liniami i kształtami,

które sprawią, że telefon
będzie działał tak, jak chcemy.

Gdy naświetlimy tę maskę jasnym światłem,

powstanie cień wzoru na powierzchni.

Wszędzie, gdzie światło
przedostanie się przez maskę,

zajdzie reakcja chemiczna.

Na podłożu wypali się obraz tego wzoru.

Pewnie zastanawiacie się,

jak przejść z odtworzonego wzoru

do czystych, cienkich linii i kształtów.

Trzeba do tego wykorzystać
roztwór chemiczny

zwany wywoływaczem.

Wywoływacz jest wyjątkowy.

Potrafi wykryć i usunąć

wszystkie nienaświetlone obszary,

pozostawiając jedynie
czyste, cienkie linie i kształty,

dzięki czemu
miniurządzenia zaczną działać.

Wykorzystaliśmy chemię
do tworzenia urządzeń

i do zmniejszania urządzeń.

Pewnie już was przekonałam,
że chemia jest prawdziwym bohaterem

i moglibyśmy na tym skończyć.

(Braw)

Ale to jeszcze nie koniec.

Nie tak szybko.

Wszyscy jesteśmy ludźmi.

A jako ludzie, zawsze chcemy więcej.

Zastanówmy się, jak wykorzystać chemię,

żeby wycisnąć z urządzeń jeszcze więcej.

Obecnie podobno chcemy tak zwanego 5G,

czy też obiecanej
piątej generacji bezprzewodowości.

Pewnie słyszeliście o 5G

w reklamach, które zaczynają się pojawiać.

A może ktoś miał okazję je wypróbować

podczas zimowych
Igrzysk Olimpijskich w 2018 roku.

W 5G najbardziej podoba mi się to,

że gdy spóźniona pędzę na samolot,

filmy pobiorę w 40 sekund,

a nie 40 minut.

Gdy w końcu pojawi się prawdziwe 5G,

zmieni się zdecydowanie więcej

niż ilość załadowanych filmów.

Dlaczego więc 5G jeszcze nie ma?

Zdradzę wam tajemnicę.

Odpowiedź jest dość prosta.

Po prostu trudno je stworzyć.

Jeśli użyto miedzi
i standardowych materiałów

do budowy urządzeń 5G,

sygnał nie może dotrzeć do celu.

Tradycyjnie stosuje się

bardzo chropowatą warstwę izolacyjną
do podtrzymywania miedzianych przewodów.

Wyobraźcie sobie rzepy.

To chropowatości trzyma razem
dwa kawałki materiału.

To dość istotne, jeśli chcemy urządzenia,

które wytrzyma dłużej

niż przez czas potrzebny do rozpakowania

i zainstalowania wszystkich aplikacji.

Jednak chropowatość powoduje problem.

Przy wysokiej prędkości 5G

sygnał musi przemieszczać się
w pobliżu tej chropowatości,

przez co gubi się, zanim dotrze do celu.

Pomyślcie o paśmie górskim,

które przecina skomplikowany system dróg,

a wy próbujecie przedostać się
na drugą stronę.

Nie sądzicie,

że zajęłoby to mnóstwo czasu

i zapewne byście się zgubili,

gdyby trzeba było
pokonać każdą górę osobno,

zamiast po prostu przejechać przez tunel,

który biegnie prosto na drugą stronę?

To samo dzieje się w urządzeniach 5G.

Gdyby dało się usunąć tę chropowatość,

to można by wysłać sygnał 5G

prosto i bez przeszkód.

Brzmi nieźle, prawda?

Ale moment.

Czy nie powiedziałam,
że chropowatość jest potrzebna

do utrzymania elementów razem?

Jeśli ją usuniemy, okaże się, że miedź

nie będzie trzymała się podłoża.

Pomyślcie o budowaniu domu z klocków Lego

i wszystkich wypukłościach,
które się zatrzaskują,

w przeciwieństwie do gładkich klocków.

Które z nich będą miały
lepszą integralność strukturalną,

gdy do pokoju wparuje
dwulatek udający Godzillę

i powali wszystko na swojej drodze?

A co, jeśli skleimy te gładkie klocki?

Na to czeka ten przemysł.

Czekają, aż chemicy zaprojektują
nowe, gładkie powierzchnie

o zwiększonej, integralnej przyczepności

z niektórymi miedzianymi przewodami.

Gdy rozwiążemy ten problem,

a tak się stanie,

będziemy współpracować
z fizykami i inżynierami,

żeby rozwiązać wszystkie wyzwania 5G,

wtedy liczba aplikacji pójdzie w górę.

Będziemy mieli samochody bezzałogowe,

bo obecna sieć danych
może podołać prędkościom

i liczbie informacji
niezbędnych do jego funkcjonowania.

Użyjmy wyobraźni.

Już widzę, jak będąc w restauracji
z przyjacielem, uczulonym na orzechy,

wyciągam telefon,

skanuję nim jedzenie,

a to jedzenie daje nam

odpowiedź na bardzo istotne pytanie:

zabójcze czy bezpieczne do zjedzenia?

A może nasze urządzenia będą

tak sprawnie przetwarzać o nas informacje,

że będą niczym trenerzy personalni.

Doradzą najlepszy sposób
na spalenie kalorii.

Szczególnie w listopadzie,

gdy będę zrzucać pociążowe kilogramy,

chciałabym mieć urządzenie,
które powie mi, jak to zrobić.

Co tu dużo mówić,

chemia po prostu jest świetna.

To dzięki niej działają
wszystkie urządzenia elektroniczne.

Przy następnym wysyłaniu wiadomości
albo cykaniu selfie

pomyślcie o tych wszystkich
ciężko pracujących atomach

i innowacyjności, na której stoją.

Kto wie,

może ktoś z was na sali

albo z widzów oglądających to na komórce

postanowi zostać pomocnikiem

kapitana Chemii,

prawdziwego bohatera
urządzeń elektrycznych.

Dziękuję wam za uwagę.

Dziękuję, chemio.

(Brawa)