Когда вы берете смартфон, у вас в ладони одновременно оказывается примерно половина таблицы Менделеева, миниатюрная электростанция и продукт сложных химических реакций. Все это помещается в корпусе толщиной меньше сантиметра и весит до 200 граммов. Из чего состоит и как делают такой девайс?
В нем миллиарды транзисторов, работающих на уровне даже не молекул, а отдельных атомов. Смартфон не собирают, как велосипед или автомобиль, а выращивают слой за слоем, используя газы высокой чистоты. В одном устройстве можно найти драгоценные металлы, медь, тантал, кремний и множество редкоземельных элементов — литий, иттрий, лантан, празеодим, неодим, европий, гадолиний, тулий, диспрозий и другие. В смартфоне среднего класса около 30 миллиграммов золота и в десять раз больше серебра. Они входят в состав контактов и микросхем, поскольку обладают высокой электропроводностью.
Неизменная деталь смартфона — аккумулятор, определяющий, сколько времени устройство сможет работать без подзарядки. В классической батарейке ток дают цинк и кислота. В смартфоне процесс сложнее. В большинстве современных гаджетов используются литий-ионные аккумуляторы, которые питают и двигатели электромобилей. И в основе работы батареи для смартфона тоже лежат электрохимические реакции.
Катод (положительный электрод) чаще состоит из оксидов лития в сочетании с другими металлами. Классический вариант — литий-кобальт-оксид с кислородом. В более современных аккумуляторах для повышения их емкости использован литий-никель-марганец-кобальт-оксид (NMC) или литий-никель-кобальт-алюминий-оксид (NCA). Анод (отрицательный электрод) чаще сделан из графита (углерод), в том числе иногда с малой добавкой кремния для повышения емкости. Поступление тока от электродов обеспечивает тонкая фольга, алюминиевая на катоде и медная на аноде.
Между ними — электролит, в котором кружатся ионы лития. Электролит представляет собой раствор соли, чаще гексафторфосфата лития, в органических растворителях. Чтобы электроды не соприкасались друг с другом, они разделены пористым полимерным сепаратором на основе углерода и водорода.
В работающем аккумуляторе ионы лития перемещаются через электролит от одного электрода к другому, а электроны, создавая ток, питают весь смартфон. Внутри него фактически работает крохотная электростанция. Она не останавливается, пока не иссякнет заряд от электророзетки.
Экран смартфона — сложный многослойный композит. Цветное изображение на дисплее возникает благодаря опять же редкоземельным элементам, в том числе празеодиму, тербию, иттрию, гадолинию. Экран тоже подлежит интенсивной химической обработке. Погружение «стекла» в раствор солей калия уплотняет и сжимает материал, что и придает дисплею ударопрочность.
Сенсорный экран работает благодаря прозрачному проводящему слою. Он состоит из соединения индия, олова и кислорода. Слой одновременно пропускает свет и ток. Когда человек касается экрана, электрополе в этом месте слегка меняется. Электроника фиксирует изменение и определяет точку прикосновения — так смартфон улавливает, где именно находится палец.
Главный материал современной электроники — кремний. Из него для смартфонов делают микрочипы — полупроводниковые кристаллы с интегральной схемой в микропроцессоре. Кремний, в свою очередь, получают из песка, состоящего из диоксида кремния. Его чистота для электроники достигает 99,9999999 процента. То есть в миллиарде атомов кремния для того же смартфона допустим лишь один инородный атом-примесь.
Чтобы получить материал такой чистоты, диоксид кремния (песок) сначала превращают в газообразные соединения, из которых выделяют газ моносилан (SiH₄). Его молекулы под воздействием высокой температуры распадаются на атомы. Они оседают на поверхности тоже кремниевых пластин, постепенно образуя кристаллический слой.
Затем в него добавляют микроколичества других элементов. Например, фосфора или мышьяка, чтобы получить электрические свойства заданных параметров. Эти элементы вводятся в будущие детали гаджета тоже в газообразном виде. Так, слой за слоем и атом за атомом, производители современной электроники выращивают сложные структуры микрочипов. Этот процесс называется эпитаксией. Она и превращает песок в строительный материал для «мозга» устройств, включая смартфон.
За его уже привычной формой — результат множества сложных химических процессов. Песок превращается в сверхчистый кремний. Газообразные соединения и моногаз формируют микроскопическую структуру чипа-микросхемы. Редкоземельные элементы рождают на дисплее цвета. А электрохимия обеспечивает энергией весь компьютер в кармане. Поучается, что современный смартфон — плод применения законов не только математики и физики, но и химии.
В основе всего сущего, в том числе цифрового и виртуального, по-прежнему остаются молекулы и атомы. Управление материей шагнуло из разряда научно-технических проблем в инженерные решения. Именно их уровень во многом предопределяет и качество электроники новых поколений.