Smartphone e chimica
Lo smartphone è un must per tutti i giovani che lo utilizzano per la sua capacità di calcolo, di memoria e di connessione dati: è in pratica un telefono cellulare che funge da computer portatile.
Gran parte dei componenti sono coperti da brevetto ma gli smartphone hanno molto in comune e ciascuno è costituito da determinati materiali.
Degli 83 elementi stabili (non radioattivi), almeno 70 si trovano negli smartphone.
Negli smartphone sono presenti, sia pure in minima quantità, elementi delle terre rare ovvero elementi che hanno numero atomico da 57 a 71 che consentono la visualizzazione dei colori. A tali elementi, detti lantanidi si aggiungono la scandio e l’ittrio che hanno proprietà simili.
I vari smartphone contengono 16 dei 17 elementi e solo il promezio non è presente in quanto radioattivo.
Oltre a consentire la visualizzazione dei colori i metalli delle terre rare, denominati dall’ U.S. Department of Energy “metalli tecnologici”, sono utilizzati nei circuiti e nei dispositivi acustici: lo smartphone non sarebbe in grado di vibrare se non fossero presenti neodimio e disprosio.
A causa della limitata diffusione di tali elementi uno dei prossimi obiettivi della chimica è quello di trovare sostanze adatte a sostituirli.
Schermo
Gran parte degli smartphone hanno uno schermo touchscreen sebbene quest’ultimo non è un componente dello smartphone ma una funzionalità.
Lo schermo è costituito da materiale alcalino-alluminosilicato detto Gorilla Glass progettato specificamente per essere sottile, leggero e resistente a urti e graffi. E’ un vetro temprato ottenuto tramite un processo chimico in cui, sotto compressione avviene uno scambio ionico degli ioni Na+ con gli ioni K+ che hanno maggiori dimensioni. Il vetro è posto in un bagno fuso di KNO3 a 400°C temperatura alla quale gli ioni potassio sostituiscono gli ioni sodio originariamente presenti nel vetro. Poiché gli ioni potassio hanno una maggiore reattività rispetto allo ione sodio li sostituiscono. Essi occupano uno spazio maggiore e creano una compressione con immagazzinamento di energia potenziale elastica. Quando il vetro si raffredda creano un elevato livello di sollecitazione di compressione sulla superficie. L’invenzione del Gorilla Glass risale al 1960 ma fu utilizzato nelle auto da corsa; nel 2006 Steve Jobs contattò l’azienda produttrice e adottò questo tipo di vetro negli iPhone della Apple.
Il touchscreen utilizzato negli smartphone è di tipo capacitivo sebbene un altro tipo di touchscreen di tipo resistivo sia stato usato nei telefoni cellulari di prima generazione.
Funzionamento
Il loro funzionamento si basa sulla trasmissione del calore generata attraverso l’interazione dell’utente con il dispositivo. Sono detti capacitivi perché sono basati su dispositivi elettrici chiamati condensatori o capacitori, che hanno il compito di rilevare il livello della temperatura nell’interazione.
Il vetro, anche se contiene ioni, è un isolante quindi deve essere ricoperto di una sostanza trasparente di tipo conduttivo abitualmente costituita da ossido di indio e stagno: l’ossido viene disposto in strisce sottili in modo da formare una griglia che agisce da capacitore.
Questa griglia conduttiva agisce da capacitore che immagazzina energia; quando lo schermo è toccato una piccolissima quantità di carica elettrica entra nel dito ed è così registrata una caduta di tensione e il posto dello schermo dove è avvenuto il contatto è elaborato da un software che ordina l’azione da compiere.
La minima corrente elettrica entra nel dito in quanto la pelle, contenendo sali e umidità forma una soluzione elettrolitica. Il corpo diventa quindi parte del circuito quando sfiora lo schermo.
Gli elementi chimici presenti nello schermo sono fondamentalmente indio, stagno e ossigeno, alluminio, silicio e potassio, ittrio, terbio, lantanio, praseodimio, europio, disprosio e gadolinio.
Batteria
La maggior parte degli smartphone utilizza batterie al litio in cui l’elettrodo positivo è costituito da ossido di litio e cobalto anche se altri metalli di transizione sono usati al posto del cobalto mentre l’elettrodo negativo è costituito da carbonio sotto forma di grafite. Le batterie sono abitualmente alloggiate in un involucro di alluminio.
Elettronica
Una vasta gamma di elementi e composti sono presenti nella parte elettronica.
Il processore è realizzato in silicio la cui superficie a contatto con l’ossigeno dell’aria si ricopre di biossido di silicio. Il silicio non conduce elettricità per cui deve essere drogato con altri elementi come fosforo, antimonio, arsenico che hanno cinque elettroni di valenza e danno un drogaggio di tipo n o di elementi come boro, indio e gallio che hanno tre elettroni di valenza e danno un drogaggio di tipo p.
I componenti elettrici sono realizzati in rame, oro, argento e tantalio e nelle saldature viene usata una combinazione di stagno, argento e rame.
Microfono e altoparlante sono costituiti da leghe di neodimio, ferro e boro e a volte anche disprosio e praseodimio. Questi si trovano anche sistema di vibrazione del telefono.
Quasi tutti gli elementi sono presenti un uno smartphone forse un omaggio dovuto a Mendeleeev.