"ქიმიის უწყებანი" ტომი:3, ნომერი:2, 15-17 გვ.

ქიმიის როლი მობილურ ტელეფონებში

ნუცა ბაქრაძე

საქართველოს ტექნიკური უნივერსიტეტი

რეზიუმე: დღეისათვის მსოფლიო მოსახლეობის უმრავლესობა ყოველდღიურად აქტიურად იყენებს მობილურ ტელეფონებს, მაგრამ ცოტამ თუ იცის რომ არა ქიმია, ისინი არც კი იარსებებდნენ. ქიმია მათში საციცოცხლო როლს თამაშობს, რადგან სწორედ ქიმიური ელემენტებისგან შედგება მობილური ტელეფონების სხვადასხვა ნაწილი.

საკვანძო სიტყვები: მობილური ტელეფონები, ელემენტები, ქიმია, ტექნოლოგიები.

რა არის ქიმია და რატომ ვსწავლობთ მას? ზოგისთვის ქიმია უბრალოდ მეცნიერებაა, რომელიც შეისწავლის ნივთიერების შედგენილობას და აღნაგობას. სინამდვილეში კი ქიმია ბევრად მეტია ვიდრე მხოლოდ მეცნიერება. ქიმია ჩვენი ყოველდღიურობის განუყოფელი ნაწილია. უძველესი დროიდან დღემდე ის ვითარდება და არ კარგავს თავის აქტუალურობას.

ამ სტატიაში ვისაუბრებ ქიმიის როლზე მობილური ტელეფონების (ე. წ სმარტფონები) ტექნოლოგიაში. ამ მოწყობილობებს თანამედროვე ცხოვრებაში დიდი ადგილი უკავიათ, მაგრამ ცოტამ თუ იცის როგორ მუშაობენ ისინი და რა როლს ასრულებს ქიმია მათში.

83 სტაბილური (არარადიოაქტიური) ელემენტიდან სმარტფონში მინიმუმ 70 გვხვდება. ლითონების დამსახურებით ხდებიან მობილური ტელეფონები “ჭკვიანები“. სმარტფონი საშუალოდ შეიცავს 62 მეტალს. მეტალების ერთ-ერთი ჯგუფი, იშვიათმიწათა მეტალები, მათში სასიცოცხლო როლს თამაშობს. ეს ჯგუფი შეიცავს სკანდიუმს (Sc), იტრიუმს (Y) და ასევე ლანთანოიდებს (ელემენტები რიგითი ნომრით 57-დან 71-მდე). ფერები, რომლებსაც ჩვენ ეკრანზე აღვიქვამთ, სწორედ ამ მეტალების დამსახურებაა. ტელეფონებში ასევე გვხვდება ნეოდიუმი (Nd) და დისპროზიუმი (Dy), რომლებიც მის ვიბრაციას განსაზღვრავენ. იშვიათი მეტალები, გარდა სმარტფონებისა, გვხვდებიან ისეთ მაღალტექნოლოგიურ მოწყობილობებში, როგორიცაა: ტელევიზორი, კომპიუტერი, ლაზერი და ა.შ. ისინი იმდენად მნიშვნელოვანია ტექნოლოგიური მოწყობილობებისათვის, რომ ამერიკის ენერგეტიკის დეპარტამენტმა მათ „ტექნოლოგიური ლითონები“ უწოდა.

ერთი Iphone შეიცავს 8 იშვიათ მიწა მეტალს. თუ ჩვენ რამდენიმე სახის სმარტფონს შევისწავლით, აღმოვაჩენთ 16 იშვიათმიწათა მეტალს 17-დან. ერთადერთი, რომელსაც ჩვენ ვერ ვიპოვით არის პრომეთიუმი (Pm), რომელიც რადიოაქტიურია.

სმარტფონის ერთ-ერთი მთავარი ნაწილია ეკრანი, რომელიც ასევე მაღალტექნოლოგიური პროდუქტია. იგი შემთხვევით შეიქმნა. 1952 წელს Corning Glass Works-ის ქიმიკოსი ღუმელში ცდილობდა შუშის ნიმუშის 600°C-მდე გაცხელებას, როდესაც მოულოდნელად გაუმართავმა თერმოსტატმა მისი 900°C-მდე გაცხელება გამოიწვია. კარის გახსნისთანავე ქიმიკოსი მოხარული და თან გაკვირვებული იყო - მისი შუშის ნიმუში არ გალღვა. როდესაც მან შუშა მაშით აიღო, დაუვარდა (შემთხვევით) და იმის ნაცვლად რომ გამტყდარიყო, იგი ახტა. ასე დაიბადა მსოფლიოში პირველი სინთეზური მინა-კერამიკა, მასალა რომელსაც აქვს როგორც მინის, ასევე კერამიკის თვისებები.

მინა არის ამორფული სხეული, რადგან მას არ აქვს კრისტალური სტრუქტურა (სურათი a), მეორეს მხრივ კი კერამიკა კრისტალურია (სურათი b).

სურ. 1. მინის (a) და (b) კერამიკის სტრუქტურული მოდელი

მინისა და კერამიკის ერთობლიობა ქმნის მასალას, რომელიც გაცილებით მდგრადი და მყარია, ვიდრე თითოეული მათგანი ცალ-ცალკე. მინა-კერამიკა მიიღება მინის ზედმეტი გაცხელებით. 1962 წლიდან შეიმუშავეს ქიმიურად გაძლიერებული მინა, რომლის მსგავსიც მანამდე არ ენახათ. ეს სუპერ მყარი მინა დღეისათვის თითქმის ყველა სმარტფონის ეკრანზეა, რომელსაც Gorilla Glass ეწოდება. ლაბორატორიულმა ცდებმა აჩვენა, რომ ის 6800 ატმოსფერო დაწოლას უძლებს თითოეულ კვადრატულ სანტიმეტრზე. Gorilla Glass შედგება სილიციუმისა და ალუმინის ოქსიდებისაგან (ალუმინის ოქსიდისა და სილიციუმის დიოქსიდის ნარევი )და ნატრიუმის იონებისგან.

Gorilla Glass-მა უფრო მეტი სიმტკიცეს მას შემდეგ მიაღწია, როდესაც მინა კალიუმის იონებით მოდიფიცირდა. კალიუმის იონები ანაცვლებენ ნატრიუმის იონებს, რადგან კალიუმი ნატრიუმზე აქტიურია. კალიუმის ატომები ნატრიუმის ატომებზე დიდია, შესამაბისად კალიუმის იონის ზომაც აღემატება ნატრიუმისას. ამის გამო, კალიუმის იონები მინაში უფრო მეტ ადგილს იკავებენ ვიდრე ნატრიუმის. კალიუმის დიდი ზომის იონები მოქმედებენ ერთმანეთზე, რის გამოც მინა იკუმშება. შეკუმშული მინა კი ძალიან მდგრადია. შეკუმშვის შედეგად მინაში ინახება დიდი რაოდენობით ელასტიური პოტენციური ენერგია.

ჩვენთვის, მობილური ტელეფონების მომხმარებლებისთვის, ტელეფონის ეკრანი (Touchscreen) ბევრად მეტია, ვიდრე უბრალოდ მინა. ეს არის სენსორული ეკრანი, რომელიც „პასუხობს“ ჩვენს თითოეულ შეხებას და გვაკავშირებს ტელეფონთან. სენსორული ეკრანი ძირითადად ორი სახისაა. პირველი ეს არის მდგრადი (რეზისტივური, resistive touchscreen) სენსორული ეკრანი, რომელზეც შეგიძლიათ შეეხოთ ნებისმიერი მასალით და ისინი იმუშავებენ. მაგალითად, მსგავს ეკრანებზე ფანქარი ისევე მოქმედებს, როგორც თითი. ეკრანზე მუშაობა მაშინაც კი შესაძლებელია ,თუ ხელთათმანს ვატარებთ. რეზისტივური სენსორული ეკრანები შედგება ზედაპირის ქვეშ არსებული ორი თხელი ფენისგან. რეზისტივური ეკრანი აღიქვამს მხოლოდ თითის ერთ დაჭერას, ორი ან მეტი დაჭერის შემთხვევაში ეკრანი არ რეაგირებს.

სენსორული ეკრანის მეორე ძირითადი კატეგორია არის მოცულობითი ეკრანი (capacitive touchscreens), რომელიც ელექტრონული ბუნებისაა.

მინა იზოლატორშია. იგი არ აწარმოებს ელექტრო ენერგიას. მიუხედავად იმისა, რომ მინა შეიცავს ელექტრონებს, ისინი ჩაკეტილები არიან, ელექტრო ენერგიის მიწოდება შეჩერებულია. ამის გამო ეკრანი დაფარული უნდა იყოს ელექტრული დენის გამტარი ნივთიერების თხელი გამჭვირვალე ფენით. ჩვეულებრივ ასეთ ფენად იყენებენ ინდიუმ-კალას ოქსიდს (ITO - indium tin oxide).

მობილურის პროცესორი, დამზადებულია სილიციუმისგან. ტელეფონის მიკრო-ელექტრო ელემენტები და გაყვანილობა ძირითადად შედგება სპილენძის, ოქროსა და ვერცხლისაგან. ტანტალი (Ta) გამოიყენება, როგორც მიკრო-კონდესატორების ძირითადი კომპონენტი.

მობილური ტელეფონის ელემენტის მუშაობა ელემენტზეა დამოკიდებული. დღეისათვის მობილურებში გვხვდება ლითიუმ-იონ ელემენტები (lithium-ion, Li-ion), რომლებიც მრავალჯერადი დატენვისაა. ამ ელემენტებში იყენებენ ლითიუმ-კობალტის ოქსიდს

(LiCoO₂), როგორც ელემენტის დადებით ელექტროდს (ზოგჯერ კობალტის მაგივრად იყენებენ სხვა გარდამავალ ლითონებს), ხოლო უარყოფით ელექტროდად კი გამოყენებულია ნახშირბადის ერთ-ერთი ალოტროპი-გრაფიტი. დამუხტვის დროს ლითიუმის იონები დადებითი ელექტროდიდან გადაადგილდება გრაფიტისკენ, განმუხტვის დროს კი იონები უბრუნდებიან დადებით ელექტროდს. მრავალჯერადი დამუხტვის უნარის გამო, Li-ion ელემენტები დღეისათვის გარდა ტელეფონებისა გამოიყენება სხვა ტექნოლოგიურ მოწყობილობებიც.

დასკვნა: თანამედროვე ტექნოლოგიები და მათ შორის მობილური ტელეფონებიც კიდევ უფრო მეტად ვითარდება. რამდენიმე წლის წინ ალბათ ვერავინ წარმოიდგენდა, რომ მისი საშუალებით ერთმანეთთან კონტაქტის გარდა შევძლებდით ფოტოების გადაღებას, სისხლში შაქრის შემცველობის განსაზღვრას და ა.შ. ამ ყველაფერში კი ქიმიის როლი, როგორც აღმოჩნდა ძალიან დიდია.

  ლიტერატურა:
1.https://www.acs.org/content/acs/en/education/resources/highschool/chemmatters/past-issues/archive-2014-2015/smartphones.html
2. http://www.compoundchem.com/2014/02/19/the-chemical-elements-of-a-smartphone/

 

 

 

გამოქვეყნებულია: 20-02-2018