Chuyên mục
Hóa học và đời sống

Hóa học của “smartphone”

Bạn có thể kéo dài một ngày mà không có điện thoại di động không? Điều này là không thể vì có tới 84% tỉ lệ người dùng smartphone so với người dùng phổ thông, theo một cuộc thăm dò gần đây do công ty Nielsen Việt Nam năm 2017 thực hiện. Thật khó để tin rằng 20 năm trước, hầu như không ai thậm chí sở hữu một chiếc điện thoại di động.

Và giờ đây, điện thoại di động đã biến thành thứ gì đó lớn hơn và tốt hơn – đó chính là điện thoại thông minh. Trên toàn thế giới, hơn một tỷ điện thoại thông minh đã được mua vào năm ngoái. Nếu bạn sở hữu một chiếc điện thoại thông minh, có thể bạn sẽ biết rằng trong một hoặc hai năm, nó sẽ thực tế lỗi thời, bởi vì điện thoại thông minh chỉ tiếp tục trở nên thông minh hơn mà thôi.

Trong những năm 1950, bạn sẽ cần một ngân hàng máy tính trên toàn bộ một tầng của một tòa nhà văn phòng, để làm những gì bạn có thể làm với một chiếc điện thoại thông minh duy nhất hiện nay. Ngay cả một điện thoại thông minh cấp thấp cũng có sức mạnh tính toán nhiều hơn so với hệ thống máy tính của Cơ quan Hàng không và Vũ trụ Mỹ (NASA), được sử dụng để đưa một người lên mặt trăng.

Thật ngạc nhiên, bạn có thể lướt internet, nghe nhạc và nhắn tin cho bạn bè bằng thứ gì đó vừa vặn trong lòng bàn tay bạn. Không có thứ gì trong số này sẽ có thể mà không có hóa học, và mỗi khi bạn sử dụng điện thoại thông minh của bạn, bạn đang đưa hóa học vào thực tiễn đấy. Hehe!

Các nguyên tố hóa học có trong điện thoại thông minh

Nếu bạn đang tự hỏi những gì hóa học đã làm với điện thoại thông minh, chỉ cần bạn nhìn vào bảng hệ thống tuần hoàn. Trong số 83 nguyên tố ổn định (không hoạt động), ít nhất 70 trong số chúng có thể được tìm thấy trong điện thoại thông minh! Đó là 84% của tất cả các nguyên tố ổn định.

Kim loại là những gì làm cho điện thoại thông minh để “thông minh”. Một điện thoại thông minh trung bình có thể chứa đến 62 loại kim loại khác nhau. Một nhóm kim loại khá mơ hồ — kim loại đất hiếm – đóng một vai trò quan trọng.

Những kim loại đất hiếm này bao gồm scandium và yttrium, cũng như các nguyên tố 57–71. Các nguyên tố 57–71 được gọi là họ lanthanide, bởi vì chúng bắt đầu với nguyên tố lanthanum. Các lanthanide thường xuất hiện đầu tiên của hai hàng thả nổi tự do nằm ở dưới cùng của bảng tuần hoàn. Scandium và yttrium cũng được xắp trong các kim loại đất hiếm vì tính chất hóa học của chúng tương tự như các chất lanthanide.

Thí dụ như một chiếc iPhone duy nhất có chứa 8 kim loại đất hiếm khác nhau. Nếu bạn kiểm tra một số loại điện thoại thông minh, bạn có thể tìm thấy 16 trong số 17 kim loại đất hiếm. Thứ duy nhất bạn sẽ không tìm thấy là promethium, vì nó là phóng xạ.

Nhiều màu đỏ, xanh dương và xanh lục sống động mà bạn nhìn thấy trên màn hình là do kim loại đất hiếm, cũng được sử dụng trong mạch điện thoại và trong loa. Ngoài ra, điện thoại của bạn sẽ không thể rung mà không có neodymium và dysprosi.

Kim loại đất hiếm không chỉ được sử dụng trong điện thoại thông minh mà còn trong nhiều thiết bị công nghệ cao khác. Chúng được tìm thấy trong ti vi, máy tính, laser, tên lửa, ống kính máy ảnh, bóng đèn huỳnh quang và bộ chuyển đổi xúc tác. Các nguyên tố đất hiếm rất quan trọng trong các ngành công nghiệp điện tử, truyền thông và quốc phòng mà Bộ Năng lượng Hoa Kỳ gọi chúng là “kim loại công nghệ”.

Màn hình của điện thoại thông minh

Khi mua điện thoại thông minh, tính năng quan trọng nhất mà mọi người tìm kiếm là màn hình. Màn hình cho phép bạn xem màn hình của điện thoại. Nếu bạn đã từng làm rơi điện thoại của bạn mà không làm hỏng màn hình, bạn có thể an tâm. Màn hình điện thoại thông minh được thiết kế để khó vỡ và dẻo dai.

Độ dẻo dai này thực sự là kết quả của một tai nạn bình thường. Năm 1952, một nhà hóa học tại Corning Glass Works đang cố gắng nung một mẫu thủy tinh lên 600°C trong lò, khi ông không biết, một bộ điều nhiệt bị lỗi làm cho nó nóng lên đến 900°C. Khi ông mở cửa, ông rất vui mừng – và ngạc nhiên – để thấy rằng mẫu thủy tinh của ông không phải là một đống tan chảy và nó không làm hỏng lò nướng. Khi ông ta lấy nó ra bằng một cái kẹp, ông đã vô tình đánh rơi nó xuống sàn nhà (một tai nạn khác). Nhưng thay vì bị phá vỡ, nó lại bật nảy tung lên!

Nó là loại sứ tổng hợp đầu tiên trên thế giới, một loại vật liệu có nhiều tính chất, cả thủy tinh và gốm. Thủy tinh là một chất rắn vô định hình, bởi vì nó thiếu cấu trúc tinh thể. Các phân tử không có mặt theo bất kỳ thứ tự nào nhưng được sắp xếp như chất lỏng, nhưng chúng được đông cứng tại chỗ.

Vì thủy tinh không chứa các mặt phẳng nguyên tử có thể trượt qua nhau, không có cách nào để giảm ứng suất. Ứng suất quá mức tạo thành một vết nứt, và các phân tử trên bề mặt của vết nứt được loại bỏ. Khi vết nứt tăng lên, sức mạnh của ứng suất tăng lên, nhiều vết nứt vỡ hơn, và các vết nứt mở rộng cho đến khi kính vỡ.

Mặt khác, gốm có xu hướng kết tinh, và chúng thường được đặc trưng bởi các liên kết ion giữa các ion dương và âm – mặc dù chúng cũng có thể chứa các liên kết hóa học. Khi chúng hình thành các tinh thể, lực hấp dẫn mạnh giữa các ion tích điện trong các mặt phẳng của các ion làm cho nó khó khăn cho một mặt phẳng trượt qua mặt kia. Do đó, gốm sứ dễ vỡ. Chúng chống nén, nhưng chúng có thể gãy khi chúng uốn cong.

Sự kết hợp giữa thủy tinh và gốm sứ làm cho vật liệu trở nên cứng hơn và mạnh hơn từng vật liệu một mình. Một thủy tinh-gốm (ceramic) được hình thành bằng cách làm nóng kính, do đó một phần cấu trúc của nó được biến thành một vật liệu tinh thể hạt mịn. Ceramic có ít nhất 50% tinh thể, và trong một số trường hợp chúng có độ kết tinh cao hơn 95%.

Vật liệu thủy tinh-gốm tuyệt vời này có khả năng chịu nhiệt mà nó đã được sử dụng trong mũi hình nón của các tên lửa siêu âm điều khiển trong quân sự. Nhờ sự thành công của vật liệu gốm, Corning Glass Works đã thực hiện một nỗ lực nghiên cứu lớn để tìm cách làm cho kính thông minh trong suốt mạnh mẽ như các sản phẩm gốm sứ.

Năm 1962, Corning đã phát triển một loại kính hóa học rất mạnh, không giống bất cứ thứ gì từng thấy trước đây. Kính cực mạnh này cuối cùng sẽ được sử dụng hầu như cho mọi màn hình điện thoại thông minh. Nó mạnh đến nỗi nó được gọi là Gorilla Glass. Các thử nghiệm trong phòng thí nghiệm đã chỉ ra rằng Gorilla Glass có thể chịu được 100.000 pound áp lực trên mỗi inch vuông!

Vậy cấu tạo của Gorilla Glass là gì?

Gorilla Glass bao gồm một oxit silicon và nhôm – còn được gọi là thủy tinh aluminosilicate – kết hợp cùng với các ion natri.

Nhưng Gorilla Glass nhận được sức mạnh to lớn của nó thông qua một bước cuối cùng trong đó kính được tăng cường hóa học. Thủy tinh được đưa vào bể muối nóng chảy, thường là kali nitrat, ở 300°C. Do ion kali có phản ứng nhiều hơn các ion natri, chúng sẽ thay thế chúng. Các nguyên tử kali lớn hơn các nguyên tử natri và điều này cũng đúng đối với các ion kali lớn hơn nhiều so với các ion natri. Do đó, các ion kali này chiếm nhiều không gian hơn các ion natri.

Những ion lớn hơn nhồi nhét vào không gian trước đó chiếm đóng bởi các ion nhỏ hơn dẫn đến việc nén của kính. Hãy xem xét sự tương tự này để hình dung quá trình: Kỷ lục thế giới cho hầu hết mọi người nhét vào một chiếc Volkswagen Beetle, đó là một chiếc xe rất nhỏ, là 25. Đây là những người nhỏ nhất.

Bây giờ hãy tưởng tượng việc thay thế 25 cầu thủ trẻ này với 25 đội tuyển quốc gia trong World Cup, mỗi đội có trọng lượng 350 pound. Để ép những người đàn ông lớn như vậy vào một không gian nhỏ như vậy sẽ đòi hỏi một số tiền hợp lý của nén. Nén sẽ luôn cố gắng làm cho mọi thứ nhỏ hơn.

Trong cùng một cách, khi các ion kali lớn hơn đẩy vào nhau, thủy tinh được nén lại. Kính nén rất mạnh. Kết quả của quá trình nén này, rất nhiều năng lượng đàn hồi tiềm năng được lưu trữ trong thủy tinh, giống như năng lượng đàn hồi tiềm năng mà bạn có thể tìm thấy trong một lò xo nén.

Mặt sau màn hình cảm ứng là gì?

Như mọi người dùng điện thoại thông minh đều biết, màn hình trên điện thoại thông minh không chỉ là một mảnh kính cứng. Đó là một màn hình phản ứng với cảm ứng của bạn — được đặt tên một màn hình cảm ứng, cho bạn kết nối cá nhân với điện thoại của bạn.

Có hai loại màn hình cảm ứng cơ bản. Loại màn hình cảm ứng đầu tiên, được gọi là màn hình cảm ứng điện trở, có thể được chạm vào với bất kỳ loại vật liệu nào và chúng vẫn hoạt động. Bút chì hoạt động giống như một ngón tay. Bạn có thể kích hoạt màn hình ngay cả khi đeo găng tay. Màn hình cảm ứng điện trở được tìm thấy trong máy rút tiền tự động (ATM) và tại quầy thanh toán tại các cửa hàng, nơi bạn ký tên của mình để mua tín dụng trên màn hình hiển thị.

Màn hình cảm ứng điện trở bao gồm hai lớp vật liệu dẫn điện mỏng bên dưới bề mặt. Khi bạn nhấn xuống một màn hình cảm ứng điện trở, nó thụt vào nhau, làm cho hai lớp chạm vào, hoàn thành mạch và thay đổi dòng điện tại điểm tiếp xúc. Phần mềm nhận ra một sự thay đổi trong hiện tại tại các tọa độ này và thực hiện hành động tương ứng với vị trí đó. Màn hình cảm ứng điện trở còn được gọi là màn hình nhạy cảm với áp suất. Chỉ có thể nhấn một nút tại một thời điểm. Nếu hai hoặc nhiều nút được nhấn cùng một lúc, màn hình sẽ không phản hồi.

Điện thoại thông minh sử dụng loại màn hình cảm ứng cơ bản thứ hai, được gọi là màn hình cảm ứng điện dung, có tính chất điện. Một tụ điện là bất kỳ thiết bị nào lưu trữ điện.

Thủy tinh, là chất cách điện, không dẫn điện. Mặc dù thủy tinh chứa ion, chúng bị khóa lại, ngăn điện chảy qua. Vì vậy, màn hình thủy tinh phải được phủ một lớp mỏng trong suốt của một chất dẫn điện, thường là oxit thiếc indi, được đặt trong các dải mỏng đan chéo để tạo thành một mẫu lưới.

Lưới dẫn điện này hoạt động như một tụ điện, lưu trữ điện tích rất nhỏ. Khi bạn chạm vào màn hình, một chút điện tích được lưu trữ này sẽ đưa vào ngón tay bạn – không đủ để bạn cảm thấy nhưng đủ để màn hình phát hiện. Khi điện tích này rời khỏi màn hình và đi vào ngón tay của bạn, màn hình đăng ký một giọt điện áp, vị trí đó được xử lý bởi phần mềm, mà lệnh cho hành động kết quả.

Dòng điện nhỏ xíu này đi vào ngón tay của bạn vì da của bạn là chất dẫn điện – chủ yếu là do sự kết hợp giữa muối và hơi ẩm trong tầm tay bạn, tạo ra một dung dịch ion. Cơ thể của bạn thực sự trở thành một phần của mạch điện, vì một lượng điện nhỏ chảy qua bạn mỗi lần bạn sử dụng màn hình cảm ứng trên điện thoại của mình.

Cục pin

Phần lớn điện thoại của ngày hôm nay sử dụng pin lithium ion. Những pin này có xu hướng sử dụng lithium cobalt oxide làm điện cực dương trong pin (mặc dù các kim loại chuyển tiếp đôi khi được sử dụng thay cho cobalt), trong khi điện cực âm được hình thành từ carbon dưới dạng than chì. Nó cũng sẽ có một dung môi hữu cơ để hoạt động như chất lỏng điện phân.

Lithium trong điện cực dương được ion hóa trong quá trình sạc pin, và di chuyển vào các lớp của điện cực than chì. Trong quá trình xả, các ion di chuyển trở lại điện cực dương. Bản thân pin thường được đặt trong vỏ nhôm. Tuy nhiên nếu nhiệt độ quá cao thì pin dễ bị phát nỗ và cháy.

Điện tử

Một loạt các yếu tố và hợp chất được sử dụng trong các thiết bị điện tử của điện thoại. Chip, bộ vi xử lý của điện thoại, được làm từ silicon tinh khiết, sau đó được tiếp xúc với oxy và nhiệt để tạo ra một lớp silicon dioxide trên bề mặt của nó. Các bộ phận của lớp silicon dioxide này sau đó được loại bỏ, nơi dòng chảy sẽ được yêu cầu để chảy.

Silicon không dẫn điện mà không bị “pha tạp” với các nguyên tố khác; quá trình này liên quan đến silicon bị bắn phá với nhiều yếu tố khác nhau, có thể bao gồm phốt pho, antimon, asen, bo, indi hoặc gali. Các loại chất bán dẫn khác nhau (P hoặc N) được tạo ra tùy thuộc vào yếu tố được sử dụng, với boron là loại phổ biến nhất của loại chất kích thích tạp loại P.

Các thành phần vi điện và dây điện trong điện thoại được cấu tạo chủ yếu bằng đồng, vàng và bạc. Tantali cũng được sử dụng, là thành phần chính của các tụ điện nhỏ. Một loạt các yếu tố khác, bao gồm bạch kim và paladi cũng được sử dụng, nhưng chi tiết về các ứng dụng cụ thể của chúng là một mẹo nhỏ để theo dõi!

Hàn được sử dụng để kết nối các thành phần điện với nhau – đây là, trong những năm qua, thường bao gồm thiếc và chì, nhưng trong những năm gần đây các chất thay thế không chì đã được tìm kiếm, nhiều trong số đó sử dụng kết hợp thiếc, bạc và đồng.

Micrô và loa của điện thoại đều chứa nam châm, thường là hợp kim neodymium-iron-boron, mặc dù dysprosi và praseodymium cũng thường có trong hợp kim. Chúng cũng được tìm thấy trong thiết bị rung của điện thoại.

Chất bán dẫn trong điện thoại

Như đã nói ở trên, lớp silicon dioxide trên thiết bị bán dẫn ngăn dòng điện chảy trong các khu vực của chất bán dẫn, nơi không mong muốn, cụ thể là giữa các bóng bán dẫn (về cơ bản là một dạng công tắc) và silicon. Các bóng bán dẫn liên tục nhận được nhỏ hơn và nhỏ hơn, và khi họ làm như vậy, đó cũng là một yêu cầu cho lớp cách điện giữa chúng và silicon trở nên mỏng hơn. Tuy nhiên, điều này bị giới hạn bởi kích thước của các nguyên tử silicon, và thực tế là, một khi xuống đến khoảng 5 nguyên tử dày, lớp rò rỉ hiện tại và trở nên không hiệu quả.

Để chống lại điều này, các lớp dựa trên hafnium được sử dụng thay thế; điều này cũng đòi hỏi phải sử dụng vật liệu khác nhau cho các bóng bán dẫn, với cả nitrit titan và nitrua nhôm titan được sử dụng. Để kết nối các bóng bán dẫn với các lớp đồng liên kết trong bán dẫn, vonfram được sử dụng như một số liên lạc. Tungsten cũng tìm thấy sử dụng bên ngoài thiết bị bán dẫn, như trọng lượng cho các động cơ rung trong điện thoại.

Tất nhiên, nỗ lực cải thiện các thiết bị bán dẫn vẫn đang tiếp diễn và khả năng giới thiệu các hợp phần phần tử nhóm III-V vào cấu trúc bóng bán dẫn, như GaAs, InP và InAs, là khả năng cho phép di chuyển electron cải thiện, và lần lượt cho phép các chất bán dẫn trở nên nhỏ hơn.

Vỏ điện thoại

Các yếu tố có trong vỏ điện thoại sẽ tùy thuộc vào trường hợp là kim loại hoặc nhựa hay hỗn hợp cả hai. Vỏ kim loại có thể được làm bằng hợp kim magiê, trong khi vỏ nhựa sẽ, tất nhiên, là dựa trên carbon. Lớp vỏ thường sẽ chứa các hợp chất chống cháy – chất chống cháy brôm thường được sử dụng, nhưng các nỗ lực đang được thực hiện để giảm thiểu việc sử dụng chúng, và vì vậy các hợp chất hữu cơ khác không chứa brôm được sử dụng thường xuyên hơn.

Công nghệ điện thoại thông minh đang phát triển với tốc độ chóng mặt. Giờ đây, bạn có thể sử dụng điện thoại thông minh để kiểm tra lượng đường trong máu, điều chỉnh bộ ổn nhiệt của ngôi nhà và khởi động xe. Hai mươi năm trước, không ai hình dung rằng một ngày nào đó người ta sẽ chụp nhiều ảnh hơn bằng điện thoại di động so với máy ảnh độc lập của họ. Có ai đoán xem điều gì sẽ xảy ra tiếp theo. Nhờ sự giao nhau của hóa học và sáng tạo, khả năng là vô hạn.

Tham khảo ACSCompound Interest và Báo mới.

Trả lời

Email của bạn sẽ không được hiển thị công khai. Các trường bắt buộc được đánh dấu *