智能手机的工作原理
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0:01 - 0:05当我带着我的新诺基亚手机,
迈着轻快的步伐去上高中时, -
0:05 - 0:08我以为它是我
老旧粉红公主款对讲机的 -
0:08 - 0:11最新最酷的替代品。
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0:11 - 0:15然而现在,我和朋友不论在哪里,
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0:15 - 0:16都可以互相发信息或者对话,
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0:16 - 0:17而不再需要像
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0:17 - 0:20在后院里东奔西跑时
那样假装互相对话。 -
0:20 - 0:22坦白说,
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0:22 - 0:26在那个时候,我并没有想过太多
这些装置是如何制造出来的。 -
0:26 - 0:29它们就像在圣诞节的早晨突然出现,
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0:29 - 0:32所以也许是被圣诞老人
手工店的小精灵做出来的。 -
0:33 - 0:35我想问你们一个问题。
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0:35 - 0:38你们认为谁是真正
制造这些设备的小精灵? -
0:39 - 0:41如果我问一些我认识的人,
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0:42 - 0:45他们会说是硅谷里面那些
穿着连帽衫编辑代码 -
0:45 - 0:47的软件工程师。
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0:48 - 0:50但是在这些设备进行
任何代码编辑前, -
0:50 - 0:52它们已经经过了大量的准备工作。
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0:52 - 0:56这些设备的诞生是从原子级别开始的。
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0:56 - 0:57所以如果你问我这个问题,
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0:57 - 1:00我会说,那些真正
的小精灵是化学家们。 -
1:01 - 1:03是的,我说的是化学家们。
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1:04 - 1:08化学是电子通讯技术的幕后英雄。
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1:08 - 1:11我今天的目的就是说服你们
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1:11 - 1:12赞同我的观点。
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1:14 - 1:16让我们从简单一点的开始,
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1:16 - 1:20从内部来看看
这些令人痴迷的设备。 -
1:20 - 1:22因为没有化学,
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1:22 - 1:26我们所喜爱的这个信息高速公路,
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1:26 - 1:29将会只是一个非常昂贵的、
闪亮的压纸器。 -
1:31 - 1:33化学使每一层材料能够发挥作用。
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1:34 - 1:36让我们从显示层开始。
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1:36 - 1:39你们认为我们是如何得到这些
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1:39 - 1:41令人爱不释手的明亮生动的颜色的?
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1:41 - 1:42事实上,
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1:42 - 1:45嵌入在显示层中的有机聚合物,
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1:45 - 1:49能够把电流变成我们在图片中看到的
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1:50 - 1:52令人赏心悦目的蓝色、红色和绿色。
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1:53 - 1:55那么电池层呢?
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1:55 - 1:57目前有一些密集的研究。
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1:57 - 2:01我们如何将传统电池的化学原理
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2:01 - 2:05与新兴的、高表面积电极相结合,
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2:05 - 2:08使得我们能够将更多的电荷
放进一个更小的空间, -
2:08 - 2:11这样当我们自拍时,
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2:11 - 2:12设备可以续航一整天,
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2:12 - 2:14不必再去给电池重新充电,
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2:14 - 2:17或者在一个插座附近坐着。
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2:18 - 2:22再看看把这些全都
紧紧固定在一起的粘合剂, -
2:22 - 2:25它经得起我们的频繁使用吗?
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2:25 - 2:27毕竟,作为千禧一代,
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2:27 - 2:30我不得不每天
把手机拿出来检查 200 次, -
2:30 - 2:33并且在这个过程中摔了两到三次。
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2:36 - 2:38但是什么才是
这些设备真正的大脑? -
2:38 - 2:42为什么我们对它们爱不释手?
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2:42 - 2:45这些都和电子组件,
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2:45 - 2:49以及围绕在一个印刷电路板
周围的电子线路有关。 -
2:49 - 2:51或者也许你更喜欢生物学隐喻——
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2:51 - 2:53你应该听说过的,主板。
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2:55 - 2:58围绕印刷电路板,
并没有太多真正的讨论。 -
2:58 - 3:01坦白讲,我不知道这是为什么。
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3:01 - 3:03可能是因为它是最不吸引人的一层,
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3:03 - 3:07并且它隐藏在其它所有
设计流畅的应用层下面。 -
3:07 - 3:10但是现在是时候给予这
名不见经传的一层 -
3:10 - 3:14超人般的赞誉了。
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3:14 - 3:16所以我想问你们一个问题。
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3:16 - 3:19你们认为什么是印刷电路板?
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3:20 - 3:22考虑用隐喻的方式。
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3:22 - 3:24想想你居住的城市。
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3:24 - 3:27你知道所有的景点,然后你想去:
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3:27 - 3:30你家里,你工作单位,餐厅,
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3:30 - 3:32以及每个街区的星巴克。
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3:33 - 3:36所以我们修了
将它们都连接起来的路。 -
3:38 - 3:40这就是印刷电路板。
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3:40 - 3:43除了那些类似餐厅的东西,
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3:43 - 3:47我们在芯片上用晶体管,
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3:47 - 3:48电容器,电阻器替代了它们,
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3:48 - 3:51所有这些电子元件,
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3:51 - 3:54都需要可以相互通话的方式。
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3:54 - 3:56那么我们的道路呢?
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3:57 - 3:59我们造了微小的铜线。
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4:01 - 4:02所以下一个问题是,
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4:02 - 4:04我们如何制造这些微小铜线?
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4:04 - 4:06它们非常的小。
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4:06 - 4:08可不可能,我们走进一家硬件商店,
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4:08 - 4:10拿一轴铜线,
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4:10 - 4:13再用那些钢丝钳,一点线缆,
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4:13 - 4:17把它们组装起来,然后,砰——
我们就有了印刷线路板吗? -
4:18 - 4:19没门。
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4:19 - 4:22我们需要的铜线是非常微小的。
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4:22 - 4:25所以我们不得不
依靠我们的朋友:化学。 -
4:27 - 4:30化学工艺使制造这些微小铜线
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4:30 - 4:32看起来似乎非常简单。
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4:32 - 4:34我们从一个带正电的铜球的
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4:34 - 4:37溶液开始。
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4:37 - 4:42然后我们加入一个
绝缘的印刷电路板。 -
4:42 - 4:45同时我们通过往混合液里加入甲醛
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4:45 - 4:47给带正电的球体里
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4:47 - 4:49提供带负电的电子。
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4:49 - 4:51你可能还记得甲醛是什么。
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4:51 - 4:53非常独特的气味,
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4:53 - 4:56用来在生物课上保存青蛙。
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4:56 - 4:59是的,事实证明它可以用来
做更多的事情。 -
4:59 - 5:01并且这是制造这些微小铜线的
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5:01 - 5:03关键部分。
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5:04 - 5:08于是,这些甲醛上
的电子有了内驱力。 -
5:08 - 5:11它们想跳上这些带正电的铜球。
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5:12 - 5:17这些都是因为一个叫
氧化还原的过程。 -
5:17 - 5:18当这个反应发生的时候,
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5:18 - 5:22我们可以将这些带正电的铜球
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5:22 - 5:24变成明亮的,
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5:24 - 5:29闪光的,金属的,有传导性的铜。
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5:29 - 5:31一旦我们有了带传导性的铜,
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5:31 - 5:32就相当于我们已经
在用天然气做饭了。 -
5:32 - 5:35那么,我们能够使所有电子元件
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5:35 - 5:36互相之间进行交流了。
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5:36 - 5:38所以再次谢谢化学。
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5:40 - 5:41让我们来想想,
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5:41 - 5:44思考一下有了化学以后
我们走了多远。 -
5:46 - 5:48很明显,在电子通讯领域,
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5:48 - 5:50尺寸非常重要。
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5:50 - 5:53所以让我们思考一下
如何才能缩小设备的尺寸, -
5:53 - 5:57这样我们可以从
90 年代的大哥大, -
5:57 - 5:59过渡到一种更加流畅的,
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5:59 - 6:02就像今天我们可以
装进口袋里的手机。 -
6:02 - 6:03尽管,现实一点:
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6:04 - 6:07很显然没有东西可以
装进女士裤子的口袋里, -
6:07 - 6:10如果你可以找到一对有口袋的裤子。
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6:10 - 6:11(笑声)
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6:11 - 6:15并且我也不认为化学
可以帮我们解决这个问题。 -
6:17 - 6:20但是比让实际设备
缩小尺寸更重要的是, -
6:20 - 6:22我们如何使内部的电路
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6:22 - 6:24缩小 100 倍,
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6:24 - 6:28以便使电路从微米尺寸
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6:28 - 6:30直接缩小到纳米尺寸?
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6:31 - 6:32因为,我们面对的是,
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6:32 - 6:36现在我们需要更强大,更快的手机,
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6:36 - 6:40而更强大和更快意味着
需要更多的电路。 -
6:41 - 6:43那么我们如何做到这一点?
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6:43 - 6:47并不是说我们拥有某些
有魔力的电磁收缩射线, -
6:47 - 6:50就像韦恩·萨林斯基教授在
“亲爱的,我把孩子们缩小了”里面 -
6:50 - 6:51用来缩小他的孩子们的机器。
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6:51 - 6:53当然,他不是故意的。
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6:54 - 6:55我们可以用他的机器吗?
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6:56 - 6:58事实上,在该领域内,
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6:58 - 7:00有一个过程和那个非常类似。
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7:00 - 7:03它的名字叫光刻法。
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7:03 - 7:07在光刻法里,我们使用电磁辐射,
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7:07 - 7:09或者,我们更倾向于叫光,
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7:09 - 7:11我们用它来缩小电路的一些部分,
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7:11 - 7:15这样我们可以在一个非常小的
空间里塞进更多的电路。 -
7:18 - 7:19那么,这是如何运作的呢?
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7:20 - 7:22我们从一个有一层
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7:22 - 7:25感光膜覆盖的基底开始。
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7:25 - 7:28然后我们用一张膜把它盖住,
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7:28 - 7:30膜上面有一些
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7:30 - 7:34用来定制手机功能的
细线和特性的图案。 -
7:34 - 7:38接着我们让基底暴露在
一束明亮的光下, -
7:38 - 7:41在表面上留下一个阴影的图案。
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7:42 - 7:45任何光透过的地方,
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7:45 - 7:48都将会引起一个化学反应。
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7:48 - 7:53并且会将图案的图像烙进基底里。
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7:53 - 7:55所以你可能想问一个问题,
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7:55 - 7:57我们如何从一个烧出来的图像
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7:57 - 8:00得到干净的线条和特征?
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8:00 - 8:02要实现这个目的,
我们必须使用一种 -
8:02 - 8:04叫显影剂的化学溶液。
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8:04 - 8:06这种显影剂比较特别。
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8:06 - 8:10它的作用是将没有曝光的区域
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8:10 - 8:12有选择性的去除掉,
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8:12 - 8:15留下干净的线条和特征,
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8:15 - 8:17让我们的小型设备正常工作。
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8:18 - 8:22所以,现在我们已经使用
化学打造出了我们的设备, -
8:22 - 8:25也用它缩小了我们的设备。
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8:26 - 8:29所以我可能已经说服了你们,
化学才是真正的英雄, -
8:29 - 8:30那我们就可以到这里结束了。
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8:31 - 8:32(掌声)
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8:32 - 8:33等一下,还没有。
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8:33 - 8:35没这么快。
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8:35 - 8:37因为我们都是人类。
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8:37 - 8:40作为一个人类,我总是想要更多。
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8:40 - 8:42所以现在我想思考如何使用化学
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8:42 - 8:45从一个设备中提取出更多的东西。
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8:46 - 8:50现在,我们知道了我们想造 5G,
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8:50 - 8:53或者说承诺的第五代无线技术。
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8:53 - 8:56你应该已经在商业领域听说过,
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8:56 - 8:585G 已经开始出现了。
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8:59 - 9:01或者你们中的一些人也许已经在
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9:01 - 9:032018 年冬奥会体验过了。
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9:04 - 9:065G 最使我兴奋的是,
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9:06 - 9:10当我迟到了,冲出家门去赶飞机,
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9:10 - 9:13我可以用 40 秒
下载电影到我的手机上, -
9:13 - 9:15而不是 40 分钟。
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9:16 - 9:18但是一旦 5G 真的来了,
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9:18 - 9:20比起我们可以
放多少部电影在手机里, -
9:20 - 9:21它实际上有更深远的意义。
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9:22 - 9:25那么问题来了,
为什么真正的 5G 还没来? -
9:26 - 9:28我想与你们分享一个小秘密。
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9:28 - 9:31这个问题很好回答。
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9:31 - 9:33只是因为太难了。
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9:34 - 9:37想想看,如果你用
那些传统的材料和铜 -
9:37 - 9:39来制造 5G 设备,
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9:39 - 9:42信号并不能到达它的终点。
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9:44 - 9:48传统上,我们用非常粗糙的绝缘层
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9:48 - 9:51来使铜线发挥作用。
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9:51 - 9:53想象一下尼龙搭扣。
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9:53 - 9:57是粗糙度让两片东西能相互粘牢。
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9:58 - 10:00如果你想要一个设备,
它的续航的时间 -
10:00 - 10:02比你把它从盒子里拿出来,
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10:02 - 10:04并开始安装所有
的应用程序要长的话, -
10:04 - 10:06这一点就非常重要。
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10:07 - 10:09但是这种粗糙度引起了一个问题。
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10:10 - 10:13在 5G 的高速下,
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10:13 - 10:17信号不得不靠近粗糙面传输。
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10:17 - 10:21那么在到达终点前它就会损失殆尽。
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10:22 - 10:24想象一个山脉,
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10:24 - 10:28环绕着一条错综复杂的道路系统,
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10:28 - 10:30你试图到达山的那一边。
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10:30 - 10:32那么你们同不同意,
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10:32 - 10:35跟挖一条笔直的隧道,
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10:35 - 10:37直接穿过山脉相比,
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10:37 - 10:40翻山越岭
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10:40 - 10:42要花上很长时间,
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10:42 - 10:45而且还可能会迷路?
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10:45 - 10:47这就是 5G 设备所面临的问题。
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10:47 - 10:50如果我们可以去掉这个粗糙面,
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10:50 - 10:52就可以让 5G 信号
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10:52 - 10:54笔直穿过媒介而不受干扰。
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10:54 - 10:55听起来不错,是吧?
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10:56 - 10:57但是等一下。
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10:57 - 10:59我有没有告诉你们,
我们需要那个粗糙面 -
10:59 - 11:01来保持设备相互连接?
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11:01 - 11:04如果我们去掉了这部分,
就无法将铜固定在 -
11:04 - 11:06下面的基底上。
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11:08 - 11:10想象用乐高积木搭建一个房子,
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11:10 - 11:15相比于光滑的积木块,
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11:15 - 11:17乐高积木的所有边边角角
都是嵌合在一起的。 -
11:17 - 11:21当两岁的小孩闯进客厅,
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11:21 - 11:24试图扮演哥斯拉,
并且把所有东西都拆掉, -
11:24 - 11:26这两个中哪一个的结构
会更稳固呢? -
11:27 - 11:30但是如果我们
在光滑的积木块上用胶水呢? -
11:31 - 11:34这就是行业目前在等待的东西。
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11:34 - 11:37他们在等化学家们为某些铜线设计出
-
11:37 - 11:40增加了固有粘着力的
-
11:40 - 11:42新的、光滑的表面。
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11:42 - 11:44当我们解决了这个问题——
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11:44 - 11:46我们一定会解决这个问题——
-
11:46 - 11:48然后我们会跟物理学家
和工程师一起合作, -
11:48 - 11:51解决 5G 的所有挑战,
-
11:51 - 11:55然后应用程序的数量
就会呈爆发性增长。 -
11:55 - 11:58是的,我们将会有像
自动驾驶汽车一样的应用, -
11:58 - 12:01因为现在我们的数据网络
可以应对这个速度, -
12:01 - 12:05并且信息的数量也
需要使它达到这个速度。 -
12:05 - 12:08但是,再让我们来想象一下。
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12:08 - 12:12比如,我和一个对花生
过敏的朋友走进一家餐厅, -
12:12 - 12:13拿出我的手机,
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12:14 - 12:15对着食物晃一下,
-
12:15 - 12:17然后让食物来帮助我们
-
12:17 - 12:20回答一个非常重要的问题——
-
12:20 - 12:23这个食物是致命的还是安全的?
-
12:24 - 12:27或者我们的设备能够
-
12:27 - 12:30非常好的处理这些信息,
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12:30 - 12:33这样它们就成为了我们的个人助理,
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12:33 - 12:36能够了解对于我们
燃烧卡路里最有效的方式。 -
12:36 - 12:38我知道到了十一月,
-
12:38 - 12:40当我试图减掉一部分
因为怀孕长胖的体重, -
12:40 - 12:43我会很高兴有一个设备
可以告诉我该怎么做。 -
12:45 - 12:47除了说,化学真的太酷了,
-
12:47 - 12:49我不知道还有什么别的方式
来形容它的神奇。 -
12:49 - 12:53它使这些所有
的电子设备成为了可能。 -
12:53 - 12:57所以下一次当你发信息
或者自拍的时候, -
12:57 - 13:00想一想所有努力工作的原子,
-
13:00 - 13:02和在它们之前的革新。
-
13:03 - 13:04谁知道呢,
-
13:04 - 13:07也许你们当中的一些人,
-
13:07 - 13:09甚至通过移动设备,
-
13:09 - 13:11也会决定要协助
电子设备真正的英雄, -
13:11 - 13:12化学队长,
-
13:12 - 13:16贡献自己的一份力量。
-
13:16 - 13:18谢谢大家的聆听,
-
13:18 - 13:20谢谢化学。
-
13:20 - 13:23(鼓掌)
- Title:
- 智能手机的工作原理
- Speaker:
- Cathy Mulzer
- Description:
-
有想过你的智能手机是怎么工作的吗?让我们和科学家 Cathy Mulzer 一起开启一段原子级别的旅程。她揭露了我们高性能装置的每一个部分的存在都要感谢化学家——而不是我们每个人想到的硅谷企业家。就像她提到的:“化学是电子通讯技术的幕后英雄。”
- Video Language:
- English
- Team:
- closed TED
- Project:
- TEDTalks
- Duration:
- 13:36
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Yihong Tang edited Chinese, Simplified subtitles for The incredible chemistry powering your smartphone |