iPhone из песка и газов: из чего на самом деле сделаны смартфоны и при чем тут химия

К примеру, в обычном смартфоне содержится около 30 миллиграммов золота и примерно 300 миллиграммов серебра. Эти металлы используют в контактах и микросхемах из‑за их высокой электропроводности. Но благородные металлы – лишь небольшая часть сложной химической начинки телефона.

Одна из ключевых деталей смартфона — аккумулятор. Именно он определяет, сколько времени устройство сможет работать без подзарядки. Если бы мы захотели получить ток из классической батарейки, нам нужны были бы кислоты и цинк. В смартфоне все сложнее и элегантнее. Большинство современных девайсов используют литий-ионные батареи — те же технологии применяются и в электромобилях.

Работа батареи основана на электрохимических реакциях. В ее сердце — два электрода: катод и анод.

Пространство между электродами заполнено электролитом — это среда, через которую перемещаются ионы лития. Электролит представляет собой раствор соли лития, чаще всего гексафторфосфата лития (LiPF₆), в органических растворителях. Чтобы электроды не соприкасались друг с другом, их разделяет пористый полимерный сепаратор (на основе углерода C и водорода H).

При работе аккумулятора ионы лития перемещаются внутри батареи от одного электрода к другому через электролит, а электроны, создавая электрический ток, бегут по внешней цепи, питая смартфон. Фактически внутри смартфона работает миниатюрная химическая электростанция. Проще говоря, ваш телефон работает потому, что внутри него ионы лития играют в челночный бег между двумя электродами. И этот бег не останавливается, пока не сядет батарейка.

На первый взгляд экран смартфона кажется просто стеклом, но на деле это сложный многослойный материал. Цветное изображение на дисплее формируется благодаря редкоземельным элементам — в этом процессе участвуют празеодим, тербий, иттрий и гадолиний.

Прочность стекла достигается с помощью химической обработки, известной как ионный обмен. Стекло погружают в раствор солей калия, и тогда ионы натрия, содержащиеся в его структуре, заменяются более крупными ионами калия. Эта замена уплотняет материал и создает на поверхности сжимающее напряжение, которое и придает экрану ударопрочность.

Сенсорный экран работает благодаря прозрачному проводящему материалу. Этот слой состоит из соединения индия, олова и кислорода — так называемого оксида индия-олова. Он одновременно пропускает свет и проводит электрический ток.

Когда пользователь касается экрана, электрическое поле в этом слое незначительно меняется. Электроника фиксирует изменение и определяет точку прикосновения. Так смартфон «понимает», где именно находится палец.

Мы привыкли думать, что электроника — это про электричество. Но на самом деле это, прежде всего, химия. Главный материал современной электроники — кремний. Именно из него делают микрочипы. Кремний получают из обычного песка, который состоит из диоксида кремния. При этом чистота кремния для электроники достигает 99,9999999%, то есть один атом примеси на миллиард атомов кремния. Это один из самых чистых материалов, которые производит человек.

Чтобы получить такой кремний, диоксид кремния сначала превращают в газообразные соединения, а затем — в моносилан (SiH₄). Из этого газа на поверхности кремниевых пластин выращивают слои сверхчистого кремния, которые и становятся основой будущих микросхем. Так обычный песок превращается в мозг устройства, которое умнее компьютеров прошлого века.

Знаете выражение «Это же не ракеты строить»? Так вот, создание микрочипа сложнее. И начинается оно с самого обычного песка. Да, того самого, который вы видите на пляже. В специальных реакторах под воздействием высокой температуры молекулы моносилана распадаются. Атомы кремния осаждаются на поверхности пластины, постепенно образуя кристаллический слой. Затем в этот слой добавляют небольшие количества других элементов. Например, фосфора или мышьяка, чтобы изменить его электрические свойства.

Примечательно, что эти элементы тоже вводятся в газовой фазе. Так, слой за слоем и атом за атомом, формируются сложные структуры микрочипа. Этот процесс называется эпитаксией. По сути, это выращивание кристалла на кристалле, но на молекулярном уровне.

Когда мы держим в руках смартфон, он кажется просто электронным устройством. Но за этой привычной формой скрывается результат множества сложных химических процессов. Песок превращается в сверхчистый кремний, газообразные соединения формируют микроскопические структуры микросхем, редкоземельные элементы создают цвета дисплея, а электрохимические реакции обеспечивают энергией всю систему.

В основе всего — даже чего-то цифрового — по-прежнему лежат атомы и молекулы. Так что в следующий раз, когда возьмете в руки свой смартфон, вспомните: вы держите маленький химический реактор, собранный из песка, металлов и да — выращенный из газов.

И, возможно, самое удивительное — не то, что мы научились делать такие устройства. А то, что научились управлять материей на уровне атомов. Но это уже совсем другая история...