The incredible chemistry powering your smartphone | Cathy Mulzer

Quando potei iniziare la scuola superiore col mio nuovo telefonino Nokia

pensai di aver ricevuto il più fantastico e innovativo rimpiazzo

per il mio vecchio walkie talkie rosa da principessa.

Senonché ora posso parlare

e scambiare messaggi di testo con i miei amici

ovunque ci troviamo,

senza pretendere di affrettarci per incontrarci in cortile.

Ora sarò onesta:

non possedevo una grande conoscenza

di come questi dispositivi fossero realizzati

Erano soliti apparire la mattina di Natale;

dunque potevano essere fabbricati dagli elfi di Babbo Natale.

Ora, permettetemi di porvi una domanda.

Chi pensate siano i veri elfi che fanno questi apparecchi?

Se lo chiedo, parecchia gente mi dirà che si tratta di ingegneri informatici,

giovincelli in felpa e cappuccio che smanettano codici alla Silicon Valley.

Ma ci sono molte cose che devono essere fatte su questi dispositivi

prima che vi si possa inserire qualunque tipo di codice

Questi dispositivi iniziano al livello atomico.

Perciò, se me lo chiedete,

vi risponderò che gli elfi sono dei chimici.

Proprio così: ho detto “CHIMICI”.

La chimica è l’eroina delle comunicazioni elettroniche.

E il mio obiettivo oggi è

di convincervi che non potete non essere d’accordo con me.

OK, iniziamo dal semplice

e diamo un'occhiata all'interno di questi dispositivi follemente avvincenti.

Perché senza chimica,

quella che è

una superautostrada dell'informazione

che amiamo si ridurrebbe ad

un bel fermacarte troppo costoso.

È la chimica che permette di creare tutti questi strati.

Iniziamo dal display.

Come pensi che otteniamo quei colori vivaci

che amiamo così tanto?

bene. Ve lo dico io:

Ci sono polimeri organici incorporati nel display,

che possono prendere l'elettricità e trasformarla

nei colori blu, rosso e verde

che ci piacciono nelle nostre immagini.

Cosa succede se andiamo giù alla batteria?

C'è in corso una ricerca molto fervida.

Come sfruttiamo i principi chimici

delle batterie tradizionali,

e le accoppiamo a nuovi elettrodi ad alta superficie,

in modo da poter immagazzinare più carica

in una porzione di spazio più piccola,

in modo da poter alimentare i nostri dispositivi per tutto il giorno,

mentre scattiamo selfie,

senza dover ricaricare le batterie

o sedere collegati a una presa?

E se invece parlassimo degli adesivi che legano tutto insieme,

in modo da poter resistere al nostro uso frequente?

Dopo tutto, in quanto millennial,

devo tirare fuori il mio telefono

almeno 200 volte al dì per controllarlo,

e, nel far ciò, farlo cadere due o tre volte.

[risa]

Ma quali sono i veri cervelli di questi dispositivi?

Cosa li fa funzionare

nel modo che amiamo così tanto?

Bene tutto ha a che fare con i componenti elettrici

e i circuiti collegati a un circuito stampato.

O forse preferite una metafora biologica:

la scheda madre. Potresti averne sentito parlare.

In effetti del circuito stampato non se ne parla molto.

E, onestamente, non so perché.

Forse è perché è lo strato meno sexy

ed è nascosto sotto tutti quegli altri

strati dall'aspetto elegante.

Ma è il momento di dare finalmente

a questa lastrina Clark Kent

l'elogio degno di Superman che si merita.

E quindi vi faccio una domanda.

Cosa pensiate che sia un circuito stampato?

Beh considerate una metafora.

Pensate alla città in cui vivete;

avete tutti questi punti di interesse che volete raggiungere: la vostra casa, il vostro lavoro,

i ristoranti, un paio di Starbucks per ogni isolato.

E così costruiamo strade che le collegano tutte insieme.

Ecco che cos'è un circuito stampato.

Solo che, invece di avere cose come i ristoranti,

abbiamo transistor su chip,

condensatori, resistenze,

tutti questi componenti elettrici

che hanno bisogno di trovare un modo

per parlare tra loro.

E quindi quali sono le nostre strade?

Beh, costruiamo sottilissimi fili di rame.

Quindi la prossima domanda è:

come fare questi minutissimi filamenti di rame?

essi sono veramente piccoli!

Secondo voi, puiò bastare

andare dal ferramenta,

prendere una matassina di filo di rame,

delle tronchesi taglia-fili,

una piccola molletta,

cucire tutto insieme e... bam!

avere un circuito stampato?

Non c'è verso!

I fili sono troppo piccoli per riuscirci.

e perciò dovviamo affidarci alla nostra amica:

la chimica.

Il processo chimico che serve per produrre questi piccoli fili di rame è apparentemente semplice.

Partendo con una soluzione di sferette di rame con carica positiva (ioni Cu²⁺)

a cui poi si aggiunge una scheda del circuito stampato isolante,

alimentiamo quelle sferette positive

con elettroni carichi negativamente, aggiungendo formaldeide al miscuglio.

Potete ricordare la formaldeide dall'odore distinto e forte,

usata per conservare le rane nelle lezioni di biologia?

Beh, scopriamo però che può fare molto di più!

È una componente chiave per la realizzazione di questi minuscoli fili di rame.

Vedete, gli elettroni della formaldeide vogliono avvicinarsi

alle particelle di rame cariche positivamente,

tutto ciò a causa di un processo chimico chiamato redox.

E quando ciò accade

possiamo prendere queste sferette di rame positive

e trasformarle in rame brillante, lucido, metallico e conduttivo.

Una volta ottenuto il rame conduttore

siamo a cavallo,

e possiamo far comunicare tra loro tutti quei componenti elettrici.

Tutto questo di nuovo grazie alla chimica.

Fermiamoci un attimo per pensare a dove siamo arrivati con la chimica.

Chiaramente, nelle comunicazioni elettroniche,

le dimensioni contano.

Quindi, pensiamo a come possiamo rimpicciolire

i nostri dispositivi

in modo da poter passare dal cellulare di Zack Morris degli anni '90

a qualcosa di un po' piú snello,

come i cellulari di oggi che entrano nelle nostre tasche.

Tuttavia, siamo realisti:

non c'é assolutamente nulla

che possa entrare perfettamente nelle tasche dei pantaloni da donna,

sempre che si riesca a trovare un paio che abbia le tasche.

[risa]

E io non credo che la chimica possa aiutarci con questo problema.

[risa]

Ma più importante di rimpicciolire il dispositivo attuale,

come possiamo restringere il circuito al suo interno

e ridurlo di 100 volte,

portando il circuito dalla scala dei micron a quella nanometrica

Perchè, ammettiamolo, adesso vogliamo tutti telefoni più potenti e più veloci.

Bene, più potenza e più velocità richiedono più circuiti.

Quindi come possiamo farlo?

Non è che abbiamo un raggio magico di miniaturizzazione elettromagnetica

come quello usato dail professor Wayne Szalinski

in "tesoro, mi si sono ristretti i ragazzi" per ridurre i suoi figli.

per errore, ovviamente.

O ce l’abbiamo?

Bene, in realtà, nel settore,

c'è un processo che è abbastanza simile a quello.

E il suo nome è fotolitografia.

In fotolitografia, prendiamo la radiazione elettromagnetica,

ossia ciò che tendiamo a chiamare luce,

e la usiamo per ridurre alcuni di quei circuiti,

in modo da poterne stipare di più

in uno spazio veramente più piccolo.

Ora, come funziona?

Bene, iniziamo con un substrato

che contiene un film sensibile alla luce.

lo copriamo quindi con una maschera

che ha un motivo di belle linee sottili e caratteristiche,

che faranno funzionare il telefono nel modo desiderato

Quindi esponiamo una luce brillante

e la facciamo risplendere attraverso questa maschera,

che crea un'ombra di quel motivo sulla superficie.

Ora, ovunque la luce possa passare attraverso la maschera,

si verificherà una reazione chimica.

E questo inciderà l'immagine del modello nel substrato.

Quindi la domanda che vi starete ponendo è

come si passa da un'immagine bruciata a delle

belle e nitide linee, precise nei dettagli particolari?

Per far ciò bisogna utilizzare una soluzione chimica chiamata sviluppatore.

Ora lo sviluppatore è speciale.

Quello che può fare è prendere tutte le aree non esposte

e rimuoverle selettivamente,

lasciandoci intatti i lineamenti sottili che faranno funzionare i nostri dispositivi miniaturizzati.

Dunque abbiamo utilizzato la chimica, prima per costruire i nostri dispositivi,

e poi l'abbiamo usata per rimpicciolirli.

Allora potrei avervi convinto che la chimica è il vero eroe

e che possiamo incartare tutta l’opera completa.

[Applausi]

Ma aspettate, non abbiamo finito.

Cautela. Dopo tutto siamo umani

e in quanto umano, io voglio sempre di più.

Perciò ora voglio pensare a come usare la chimica

per tirare fuori ancora altro dal dispositivo.

Proprio ora, ci viene detto che vogliamo qualcosa chiamato 5G,

ossia la promessa quinta generazione di wireless.

A questo punto potresti aver sentito parlare del 5G nelle pubblicità che stanno iniziando ad apparire.

Oppure forse alcuni di voi l'hanno persino provato alle Olimpiadi invernali del 2018.

La cosa che mi entusiasma di più del 5G è che,

quando sono in ritardo,

e devo scappare di casa per prendere un aereo,

posso scaricare i film sul mio dispositivo in 40 secondi anziché, per esempio, in 40 minuti.

Ma una volta che il vero 5G sarà qui,

avremo molto più dei film da poter mettere sul nostro dispositivo.

La questione ora è: perché il 5G non è qui?

Vi svelo un piccolo segreto.

È particolarmente facile da spiegare,.

ma è veramente difficile da realizzare.

Vedete, se usiamo i materiali tradizionali e il rame per costruire i dispositivi 5G,

il segnale non può giungere a destinazione.

Tradizionalmente,

utilizziamo superfici isolanti ruvide come supporto per la pista di rame.

Pensate alle chiusure a strappo in Velcro.

È la ruvidità delle due parti che le fa aderire assieme.

E questo è piuttosto importante se vogliamo un dispositivo che duri

più a lungo del tempo necessario a vuotare la scatola e iniziare a installarvi le app.

Ma la ruvidità genera un problema.

Considerate che, alle alte velocità del 5G, il segnale deve viaggiare vicino a tali asperità.

E ciò fa sì che esso si perda prima di raggiungere la destinazione finale.

Pensate ad un percorso di montagna

E di dover arrivare dall’altra parte attraverso un complesso intreccio di strade che salgono e scendono.

Concorderete che occorrerà molto tempo e che probabilmente vi perderete,

andando su e giù per le montagne,

rispetto al caso che possiate attraversare un tunnel in linea retta.

È lo stesso col 5G.

Se potessimo rimuovere le asperità potremmo inviare il segnale diretto e senza interruzioni.

Sembra corretto; giusto?

Ma aspettate.

Non vi ho appena detto che abbiamo bisogno di quella rugosità per tenere insieme il dispositivo?

E se la rimuoviamo, siamo in una situazione in cui il rame non si attaccherà

a quel substrato sottostante.

Pensate di costruire una casa con i mattoncini Lego,

con tutte le protuberanze e gli incavi che si serrano insieme,

oppure, al contrario, costruita con dei mattoncini lisci.

Quale delle due avrà più integrità strutturale

quando il bambino di due anni entrerà nel salotto cercando di buttare giù tutto giocando a Godzilla?

E se noi mettessimo della colla su questi blocchi lisci?

Ed è questo che sta aspettando l’industria.

Stanno aspettando che i chimici progettino nuove superfici lisce

con una maggiore adesione intrinseca per alcuni di quei fili di rame.

E quando risolveremo questo problema,

e lo risolveremo,

e quando lavoreremo con fisici e ingegneri per affrontare tutte le sfide del 5G,

bene allora il numero di applicazioni andrà alle stelle.

Quindi sì, avremo cose come le auto che si guidano da sole,

perché il nostro network di dati sarà in grado di gestire la velocità

e la quantità di informazioni richieste per farle funzionare.

Ma iniziamo a usare l’immaginazione

Posso immaginare di andare al ristorante con un amico che è allergico alle arachidi,

prendere il mio telefono, posizionarlo sopra il cibo

e ricevere una importante risposta alla domanda: mortale o sicuro da consumare?

O forse i nostri dispositivi saranno così potenti nel processare informazioni che ci riguardano

che diventeranno i nostri personal trainers.

E ci diranno qual è il modo piú efficiente per bruciare calorie.

E so che quando arriverà novembre,

quando sarò impegnata a bruciare le libbre accumulate nella mia gravidanza,

mi piacerà avere un dispositivo mi dica come farlo.

Io davvero non conosco un altro modo per dirlo,

tranne che la chimica è semplicemente fantastica.

Ed essa rende possibili tutti questi dispositivi elettronici.

Quindi la prossima volta che inizierete un messaggio o vi farete un selfie,

pensate a tutti gli atomi che lavorano sodo e a tutte le innovazioni provenienti da essi.

Chi lo sa, magari anche alcuni di voi che stanno ascoltando questa comunicazione,

forse anche sul proprio cellulare,

decideranno di giocare a fianco di Capitan Chimica,

il vero eroe dei dispositivi elettronici

Grazie della vostra attenzione e grazie alla chimica.

[Applausi]