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智能手机的工作原理

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    当我带着我的新诺基亚手机,
    迈着轻快的步伐去上高中时,
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    我以为它是我
    老旧粉红公主款对讲机的
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    最新最酷的替代品。
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    然而现在,我和朋友不论在哪里,
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    都可以互相发信息或者对话,
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    而不再需要像
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    在后院里东奔西跑时
    那样假装互相对话。
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    坦白说,
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    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。
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    它们就像在圣诞节的早晨突然出现,
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    所以也许是被圣诞老人
    手工店的小精灵做出来的。
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    我想问你们一个问题。
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    你们认为谁是真正
    制造这些设备的小精灵?
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    如果我问一些我认识的人,
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    他们会说是硅谷里面那些
    穿着连帽衫编辑代码
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    的软件工程师。
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    但是在这些设备进行
    任何代码编辑前,
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    它们已经经过了大量的准备工作。
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    这些设备的诞生是从原子级别开始的。
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    所以如果你问我这个问题,
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    我会说,那些真正
    的小精灵是化学家们。
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    是的,我说的是化学家们。
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    化学是电子通讯技术的幕后英雄。
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    我今天的目的就是说服你们
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    赞同我的观点。
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    让我们从简单一点的开始,
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    从内部来看看
    这些令人痴迷的设备。
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    因为没有化学,
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    我们所喜爱的这个信息高速公路,
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    将会只是一个非常昂贵的、
    闪亮的压纸器。
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    化学使每一层材料能够发挥作用。
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    让我们从显示层开始。
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    你们认为我们是如何得到这些
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    令人爱不释手的明亮生动的颜色的?
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    事实上,
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    嵌入在显示层中的有机聚合物,
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    能够把电流变成我们在图片中看到的
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    令人赏心悦目的蓝色、红色和绿色。
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    那么电池层呢?
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    目前有一些密集的研究。
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    我们如何将传统电池的化学原理
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    与新兴的、高表面积电极相结合,
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    使得我们能够将更多的电荷
    放进一个更小的空间,
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    这样当我们自拍时,
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    设备可以续航一整天,
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    不必再去给电池重新充电,
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    或者在一个插座附近坐着。
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    再看看把这些全都
    紧紧固定在一起的粘合剂,
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    它经得起我们的频繁使用吗?
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    毕竟,作为千禧一代,
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    我不得不每天
    把手机拿出来检查 200 次,
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    并且在这个过程中摔了两到三次。
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    但是什么才是
    这些设备真正的大脑?
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    为什么我们对它们爱不释手?
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    这些都和电子组件,
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    以及围绕在一个印刷电路板
    周围的电子线路有关。
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    或者也许你更喜欢生物学隐喻——
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    你应该听说过的,主板。
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    围绕印刷电路板,
    并没有太多真正的讨论。
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    坦白讲,我不知道这是为什么。
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    可能是因为它是最不吸引人的一层,
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    并且它隐藏在其它所有
    设计流畅的应用层下面。
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    但是现在是时候给予这
    名不见经传的一层
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    超人般的赞誉了。
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    所以我想问你们一个问题。
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    你们认为什么是印刷电路板?
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    考虑用隐喻的方式。
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    想想你居住的城市。
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    你知道所有的景点,然后你想去:
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    你家里,你工作单位,餐厅,
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    以及每个街区的星巴克。
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    所以我们修了
    将它们都连接起来的路。
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    这就是印刷电路板。
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    除了那些类似餐厅的东西,
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    我们在芯片上用晶体管,
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    电容器,电阻器替代了它们,
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    所有这些电子元件,
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    都需要可以相互通话的方式。
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    那么我们的道路呢?
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    我们造了微小的铜线。
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    所以下一个问题是,
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    我们如何制造这些微小铜线?
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    它们非常的小。
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    可不可能,我们走进一家硬件商店,
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    拿一轴铜线,
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    再用那些钢丝钳,一点线缆,
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    把它们组装起来,然后,砰——
    我们就有了印刷线路板吗?
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    没门。
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    我们需要的铜线是非常微小的。
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    所以我们不得不
    依靠我们的朋友:化学。
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    化学工艺使制造这些微小铜线
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    看起来似乎非常简单。
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    我们从一个带正电的铜球的
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    溶液开始。
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    然后我们加入一个
    绝缘的印刷电路板。
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    同时我们通过往混合液里加入甲醛
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    给带正电的球体里
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    提供带负电的电子。
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    你可能还记得甲醛是什么。
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    非常独特的气味,
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    用来在生物课上保存青蛙。
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    是的,事实证明它可以用来
    做更多的事情。
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    并且这是制造这些微小铜线的
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    关键部分。
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    于是,这些甲醛上
    的电子有了内驱力。
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    它们想跳上这些带正电的铜球。
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    这些都是因为一个叫
    氧化还原的过程。
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    当这个反应发生的时候,
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    我们可以将这些带正电的铜球
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    变成明亮的,
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    闪光的,金属的,有传导性的铜。
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    一旦我们有了带传导性的铜,
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    就相当于我们已经
    在用天然气做饭了。
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    那么,我们能够使所有电子元件
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    互相之间进行交流了。
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    所以再次谢谢化学。
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    让我们来想想,
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    思考一下有了化学以后
    我们走了多远。
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    很明显,在电子通讯领域,
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    尺寸非常重要。
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    所以让我们思考一下
    如何才能缩小设备的尺寸,
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    这样我们可以从
    90 年代的大哥大,
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    过渡到一种更加流畅的,
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    就像今天我们可以
    装进口袋里的手机。
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    尽管,现实一点:
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    很显然没有东西可以
    装进女士裤子的口袋里,
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    如果你可以找到一对有口袋的裤子。
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    (笑声)
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    并且我也不认为化学
    可以帮我们解决这个问题。
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    但是比让实际设备
    缩小尺寸更重要的是,
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    我们如何使内部的电路
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    缩小 100 倍,
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    以便使电路从微米尺寸
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    直接缩小到纳米尺寸?
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    因为,我们面对的是,
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    现在我们需要更强大,更快的手机,
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    而更强大和更快意味着
    需要更多的电路。
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    那么我们如何做到这一点?
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    并不是说我们拥有某些
    有魔力的电磁收缩射线,
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    就像韦恩·萨林斯基教授在
    “亲爱的,我把孩子们缩小了”里面
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    用来缩小他的孩子们的机器。
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    当然,他不是故意的。
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    我们可以用他的机器吗?
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    事实上,在该领域内,
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    有一个过程和那个非常类似。
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    它的名字叫光刻法。
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    在光刻法里,我们使用电磁辐射,
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    或者,我们更倾向于叫光,
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    我们用它来缩小电路的一些部分,
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    这样我们可以在一个非常小的
    空间里塞进更多的电路。
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    那么,这是如何运作的呢?
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    我们从一个有一层
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    感光膜覆盖的基底开始。
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    然后我们用一张膜把它盖住,
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    膜上面有一些
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    用来定制手机功能的
    细线和特性的图案。
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    接着我们让基底暴露在
    一束明亮的光下,
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    在表面上留下一个阴影的图案。
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    任何光透过的地方,
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    都将会引起一个化学反应。
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    并且会将图案的图像烙进基底里。
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    所以你可能想问一个问题,
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    我们如何从一个烧出来的图像
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    得到干净的线条和特征?
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    要实现这个目的,
    我们必须使用一种
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    叫显影剂的化学溶液。
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    这种显影剂比较特别。
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    它的作用是将没有曝光的区域
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    有选择性的去除掉,
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    留下干净的线条和特征,
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    让我们的小型设备正常工作。
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    所以,现在我们已经使用
    化学打造出了我们的设备,
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    也用它缩小了我们的设备。
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    所以我可能已经说服了你们,
    化学才是真正的英雄,
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    那我们就可以到这里结束了。
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    (掌声)
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    等一下,还没有。
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    没这么快。
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    因为我们都是人类。
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    作为一个人类,我总是想要更多。
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    所以现在我想思考如何使用化学
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    从一个设备中提取出更多的东西。
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    现在,我们知道了我们想造 5G,
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    或者说承诺的第五代无线技术。
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    你应该已经在商业领域听说过,
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    5G 已经开始出现了。
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    或者你们中的一些人也许已经在
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    2018 年冬奥会体验过了。
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    5G 最使我兴奋的是,
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    当我迟到了,冲出家门去赶飞机,
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    我可以用 40 秒
    下载电影到我的手机上,
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    而不是 40 分钟。
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    但是一旦 5G 真的来了,
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    比起我们可以
    放多少部电影在手机里,
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    它实际上有更深远的意义。
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    那么问题来了,
    为什么真正的 5G 还没来?
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    我想与你们分享一个小秘密。
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    这个问题很好回答。
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    只是因为太难了。
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    想想看,如果你用
    那些传统的材料和铜
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    来制造 5G 设备,
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    信号并不能到达它的终点。
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    传统上,我们用非常粗糙的绝缘层
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    来使铜线发挥作用。
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    想象一下尼龙搭扣。
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    是粗糙度让两片东西能相互粘牢。
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    如果你想要一个设备,
    它的续航的时间
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    比你把它从盒子里拿出来,
  • 10:02 - 10:04
    并开始安装所有
    的应用程序要长的话,
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    这一点就非常重要。
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    但是这种粗糙度引起了一个问题。
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    在 5G 的高速下,
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    信号不得不靠近粗糙面传输。
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    那么在到达终点前它就会损失殆尽。
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    想象一个山脉,
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    环绕着一条错综复杂的道路系统,
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    你试图到达山的那一边。
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    那么你们同不同意,
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    跟挖一条笔直的隧道,
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    直接穿过山脉相比,
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    翻山越岭
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    要花上很长时间,
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    而且还可能会迷路?
  • 10:45 - 10:47
    这就是 5G 设备所面临的问题。
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    如果我们可以去掉这个粗糙面,
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    就可以让 5G 信号
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    笔直穿过媒介而不受干扰。
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    听起来不错,是吧?
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    但是等一下。
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    我有没有告诉你们,
    我们需要那个粗糙面
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    来保持设备相互连接?
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    如果我们去掉了这部分,
    就无法将铜固定在
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    下面的基底上。
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    想象用乐高积木搭建一个房子,
  • 11:10 - 11:15
    相比于光滑的积木块,
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    乐高积木的所有边边角角
    都是嵌合在一起的。
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    当两岁的小孩闯进客厅,
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    试图扮演哥斯拉,
    并且把所有东西都拆掉,
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    这两个中哪一个的结构
    会更稳固呢?
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    但是如果我们
    在光滑的积木块上用胶水呢?
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    这就是行业目前在等待的东西。
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    他们在等化学家们为某些铜线设计出
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    增加了固有粘着力的
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    新的、光滑的表面。
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    当我们解决了这个问题——
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    我们一定会解决这个问题——
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    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,
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    然后应用程序的数量
    就会呈爆发性增长。
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    是的,我们将会有像
    自动驾驶汽车一样的应用,
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    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。
  • 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,
  • 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,
  • 12:30 - 12:33
    这样它们就成为了我们的个人助理,
  • 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。
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    除了说,化学真的太酷了,
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    我不知道还有什么别的方式
    来形容它的神奇。
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    它使这些所有
    的电子设备成为了可能。
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    所以下一次当你发信息
    或者自拍的时候,
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    想一想所有努力工作的原子,
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    和在它们之前的革新。
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    谁知道呢,
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    也许你们当中的一些人,
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    甚至通过移动设备,
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    也会决定要协助
    电子设备真正的英雄,
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    化学队长,
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    贡献自己的一份力量。
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    谢谢大家的聆听,
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    谢谢化学。
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    (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。”

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Video Language:
English
Team:
TED
Project:
TEDTalks
Duration:
13:36

Chinese, Simplified subtitles

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