智慧手機到底如何真正發揮作用

可曾想過智慧手機是如何發揮作用的？ 與科學家凱茜 · 穆澤走一趟原子級的旅程。她揭示化學反應過程幾乎毫無例外地存在於高功率設備的所有組件裡。這要歸功於化學家，而不是大多數人心目中的矽谷企業家。 正如她說的：「化學是電子通信的英雄。」

當我帶著新的諾基亞手機步入高中時，

我以為那只是舊粉紅色公主對講機的

最新、最酷的替代品。

之後我和朋友無論身在何處

都可以互發短信或交談，

不是假裝而已，

盡情在彼此的後院四處奔跑。

老實說，

當時我沒多想這些設備怎麼做出來的。

它們往往出現在聖誕節一早，

因此或許是聖誕老公公
工作室裡的精靈製作的。

讓我問個問題。

你們認為製造這些設備的
真正的精靈是誰？

假如問我認識的人，

他們會說這是矽谷
穿有帽衫的軟體工程師

寫程式而成的。

但是這些設備必須先做許多準備

才能跑任何類型的軟體。

這些設備始於原子級別。

因此如果問我，

我會說「化學家」是真正的精靈。

沒錯，我說的是化學家。

化學是電子通信的英雄。

我今天的目標

是說服諸位同意我的觀點。

好，讓我們從簡單的地方開始，

看看這些令人瘋狂上癮的設備。

因為如果沒有化學反應，

我們喜愛的資訊高速公路

將不過是昂貴、閃亮的紙鎮而已。

化學使這些層成真。

讓我們先看顯示螢幕。

可知道如何得到那些

我們熱愛、鮮豔生動的色彩嗎？

好，我來告訴你們。

顯示螢幕中嵌入的有機聚合物

能把電荷變成圖片中

我們喜歡的藍色、紅色和綠色。

電池呢？

有深入的研究

如何將傳統電池的化學原理

匹配新的高表面積電極，

讓更小的面積裡承載更多的電荷，

這樣我們充的電就夠一整天自拍使用，

不必枯等

或綁在電源插座旁等待電池充電。

那麼把一切粘合在一起

使其能夠承受頻繁使用的粘合劑呢？

畢竟我是千禧代人，

每天至少得拿出手機看 200 次，

其間還摔個兩三回。

什麼是這些設備真正的腦？

什麼使我們如此喜愛它們呢？

全都與拴在印刷電路板上的
電子元件和電路有關。

也許你們比較喜歡生物學的比喻——

你們可能聽過主機板。

關於印刷電路板的討論不多。

實話說，我不知道原因。

或許是因為它最不吸引人，

還隱藏在光鮮亮麗的其他層下面。

但是，該是稱讚這
超人克拉克·肯特層的時候了。

因此我要問，

你們以為印刷電路板是什麼？

好，打個比方。

試想各位居住的城市。

你們都有想去的地方：

家、工作地點、餐館，

和街區的星巴克。

因此我們修建把它們
連接在一起的道路，

那就是印刷電路板。

只除了（連接的）不是餐廳之類，

而是晶片上的電晶體、

電容、電阻，

和所有這些電子組件，

它們需要彼此交流的途徑。

那麼什麼是道路？

我們製造極細的銅線。

因此，下一個問題是

如何製作這些極細的銅線呢？

它們真的非常細。

我們去五金行

挑一卷銅線，

拿支剪線鉗剪一剪、鋸一鋸，

然後就成印刷電路板了？

門都沒有。

這些線太細，沒法那樣弄。

因此得靠我們的朋友：化學。

製造這些細銅線的化學過程

看似簡單。

解決方案始於

在充滿帶正電銅粒子球的溶液裡面

放入絕緣的印刷電路板，

然後加入甲醛，

也就是加入負電荷（電子）。

各位可能還記得甲醛，

它有很獨特的氣味，

生物課中用來為青蛙防腐。

事實上甲醛的功能多著呢，

它是製造這些細銅線的關鍵要素。

要知道甲醛會驅動電子，

使電子跳到那些帶正電的銅粒子球上，

這過程叫做「氧化還原」（redox）。

氧化還原時

這些帶正電的銅粒子球

會轉換成明亮、

有金屬光澤、會導電的銅。

一旦有了導電的銅

就進入情況了，

這些電子組件會彼此通信。

因此要再次感謝化學。

看看到此為止

化學已經帶我們走了多遠。

顯然，尺寸在電子通信中至關重要。

因此讓我們思考如何縮小設備的尺寸，

以便把 1990 年代
巨大的 Zack Morris 手機

變為更時尚的產品，

像今天可以裝在口袋裡的手機。

儘管如此，現實是：

女士的褲子口袋中
絕對放不下任何東西，

倘若各位找得到有口袋的褲子的話。

（笑聲）

我不認為化學能幫我們解決那問題。

比縮小實際設備的尺寸更為重要的是

如何將其內部的電路縮小一百倍，

把電路從微米級縮小到奈米級呢？

因為到頭來，

我們都想要功能更強、
速度更快的手機。

更強和更快需要更多的電路。

怎麼做呢？

我們沒有神奇的電磁射線，

沒有《親愛的，我把孩子縮小了》
電影裡的韋恩 · 薩林斯基教授

把孩子縮小的電磁射線。

當然（他的）縮小純屬意外。

我們有（神奇的辦法）嗎？

事實上有個與那相似的過程

稱為「光刻技術」。

光刻技術是用電磁輻射——

也就是通常所說的光——

來縮小一些電路，

以把更多電路塞入很小的空間中。

怎麼做呢？

從表面塗有感光膜的基材開始，

上面覆蓋一層有細線
和特徵圖案的光罩，

這些圖案將賦予手機
我們想要的功能。

接著用強光照射光罩，

曝出該圖案的影像。

光線穿透光罩的地方引起化學反應，

使圖案印在基材板上。

各位可能會問，

如何把印的圖案轉為細線和特徵呢？

必須用「顯影劑」這化學溶液。

這很特別的顯影劑

能去除所有未曝光的區域，

留下清晰的細線和特徵，

使我們的微小設備正常工作。

如此，我們已經用化學方法
構建、縮小了設備。

可能我已經說服各位
化學是真正的英雄，

可以做個總結了。

（掌聲）

等等，還沒完。

沒那麼快。

我們都是人類，

人類總想要更多。

所以現在我思考

要如何用化學方法做更多。

如今我們被告知
想要一種名為 5G 的產品，

或那被應許的第五代無線技術。

你們可能聽過 5G 的廣告。

甚至或許有些人
在 2018 冬季奧運用過。

我對 5G 最興奮的是

在遲到、衝出家門趕飛機時，

可以用 40 秒而不是 40 分鐘的時間

將電影下載到我的設備上。

一旦出現了真正的 5G

將遠遠超出能在設備上
擺放多少部電影。

所以問題是為何
還沒有真正的 5G 呢？

我說個小秘密。

這很容易回答，

就是 5G 很難做。

倘若用傳統的材料和銅

構建 5G 設備，

信號無法到達最終目的地。

傳統用來支撐銅線的
絕緣層非常粗糙。

想一想魔鬼氈怎麼黏在一起。

粗糙面使兩片氈粘在一起，

這點很重要，

倘若各位要求設備的使用壽命

必須耐得過開箱

和安裝所有應用程式的過程。

但是粗糙會引發問題。

在 5G 的高速下，

信號的傳播必須非常接近粗糙面，

以致到達最終目的地前
信號已經耗損殆盡。

用山脈來想一想，

山上的道路系統錯綜複雜，

而你要越過山脈到另一邊。

認不認同我的看法：

如果各位必須上上下下每一座山頭，

而不是鑽過一條平直的隧道，

那就可能要花很長時間，

甚至還可能迷路，是不是？

5G 設備的道理也一樣。

假如能夠泯除粗糙面

就能夠不間斷地直接發送 5G 信號。

聽起來不錯，對吧？

但是等等。

剛剛我不是說過

設備得要靠粗糙面
才能保持附著在一起嗎？

如果去除粗糙面，
銅就不會粘在基材底上。

思考用樂高積木造房子，

是靠凹凹角角和縫隙鎖在一起，

和光滑的積木不一樣。

當兩歲的孩子掠過客廳

扮成哥斯拉怪獸擊倒所有的東西時，

兩者中的哪一個
更能維持結構的完整呢？

但如果在光滑積木上粘膠水會如何？

這正是此行業的期待。

他們正等待化學家設計出新的

增加銅線固著力的光滑表面。

一旦解決這個問題，

我們必將與物理學家、工程師

一起解決 5G 的所有挑戰，

屆時應用將會暴增。

沒錯，我們將有自駕駛車之類等等，

因為到時候數據網路就能夠處理完

那些工作所需的速度和資訊量。

但是讓我們想像，

想像和對花生過敏的朋友一起上館子，

拿出手機，

在食物上揮掃一番，

得到一個重要問題的答案——

會致命還是可以食用？

也許我們的設備

在處理資訊方面將會如此出色，

以至於像私人教練一樣，

將會知道燃燒卡路里的最有效方法。

我將會愛上

在 11 月來臨時

能告訴我如何減掉
孕期所增體重的設備。

除了說化學很酷

和它能使所有電子設備成真以外，

我真的不知道
還要用什麼方式來形容它。

因此，下次發文或自拍時，

想一想那些辛苦工作的原子

以及它們之前的創新。

誰知道，

或許在座有些人，

甚至各位的移動設備，

也會想和電子設備的

真正英雄「化學隊長」搭檔。

謝謝各位的聆聽，

也感謝化學。

（掌聲）