70多種化學元素!手機「智慧」大拆解

手機的智慧來自於貴金屬元素,亦即稀土元素(rare-earth element)或稀土金屬(rare-earth metal)。

慧型手機包括電池、螢幕、內部電路與外殼,運用的材質包括七十多種不同的化學元素。手機材質裡面雖然也含有碳(有機化合物),不過最大宗的組成材質卻是金屬(無機化合物)。這一點才是手機材質的趣味所在。例如手機的微電子系統裡大約含有數百毫克的銀以及三十毫克左右的黃金。手機如何知道使用者想點選哪一項功能呢?原來是因為手機螢幕表面鍍著一層銦錫氧化物(Indium tin oxide)的透明導電膜,能夠傳導我們手指上的電流,讓手機偵測到手指在螢幕上的「接觸點」。

你可能會問:「手機為什麼這麼聰明啊?」手機的智慧來自於貴金屬元素,亦即稀土元素(rare-earth element)或稀土金屬(rare-earth metal)。它們是週期表上面的第三族副族元素,包括鑭系(lanthanoid)十五種元素,再加上鈧(Sc)與釔(Y),共十七種化學元素。

稀土金屬給人的第一印象就是:它們的名字都相當有個性。鋱(Tb)、鐠(Pr)、釔(Y)、釓(Gd)、銪(Eu)與手機螢幕色調有關,掌管手機圖檔及照片的完美。釹(Nd)或鏑(Dy)被製成稀土磁石,有助於提高磁能,讓麥克風與揚聲器等設備變得短小輕薄。手機的震動警訊設備也運用到釹或鏑兩種稀土金屬。

省電燈泡裡面也有稀土金屬,其功能在於調節燈光成為自然色調。太陽能板或風力發電設備等綠能科技裝置也會運用到稀土金屬。這些貴金屬僅需要微量即可大展身手。這就是為什麼稀土金屬又被戲稱為「工業調味料」的原因。(如果稀土元素是工業調味料,那麼食鹽裡的鈉是不是應該被尊封為「金屬調味料」啊?因為鈉是金屬,而食鹽則是日常調味料。嘻嘻,開個小玩笑而已!)。

弔詭的是,稀土金屬雖常被應用於環保綠能科技領域裡,但稀土礦的開採卻一點也不永續環保。雖然看其名稱,可能猜測稀土金屬礦源稀少。但是,實則不然。地殼中的稀土金屬含量甚高,尤其存在於礦床當中。但稀土礦的開採不僅費用高、耗能,而且礦坑裡的工作條件很差很剝削。全球最大的稀土礦源集中於中國。中國甚至壟斷好幾種稀土礦石的生產。

隨著手機消費市場蓬勃發展,稀土金屬的價格一定會水漲船高。但電信業者為了拉攏顧客,以每年的免費換機服務誘惑顧客簽約。每人每年一支新手機,勢必會造成許多問題。加上回收方式如果不恰當,則會造成大量的塑膠垃圾並且浪費稀土資源等等。再者,手機多半被設計成不易修理;電池老舊或螢幕裂開之後,消費者皆傾向於購買新機。當然也可以送修,不過需要忍受一整天沒有手機,哪個現代人做得到呢?面對上述林林總總的問題,現代社會應該如何處理手機資源無法回收永續的問題?

手機螢幕容易故障,並非製造商故意搞鬼。手機螢幕相當堅固,展現出化學家的天才巧思。手機螢幕並非一般的玻璃,大多數手機螢幕採用Gorilla Glass®強化玻璃(大猩猩玻璃)材質。製作方式是先讓矽原子、鋁原子與氧原子共同作用形成3D立體結構的鋁矽酸鹽玻璃(Aluminosilicate glass)。然後,再將鋁矽玻璃放入含鉀鹽的高溫浴槽當中。

鉀(K)在元素週期表的位置直接在鈉(Na)之下,屬於鹼金屬(Alkali metal)家族。基於八隅體原則,鉀和鈉一樣都喜歡失去電子,形成帶有正電荷的離子。只不過,鉀離子的體積比鈉離子大很多。

製作大猩猩強化玻璃的過程裡應用了所謂的離子交換技術。將鋁矽玻璃放入高溫的鉀鹽浴槽之後,鹽浴槽裡面的正價鉀離子藉著高溫與粒子迅速的移動速度取代鈉離子的位置,鈉離子會離開玻璃,鉀離子則進入玻璃表面。降溫之後,玻璃的化學結構會出現少許變化;胖胖的鉀離子卡在比它身材還小一號的縫隙裡。正因如此,玻璃的材質變得更加耐壓,更加穩固。這才變成擁有註冊商標的大猩猩玻璃。

既然如此,為什麼手機螢幕還是很容易壞掉呢?我只能說,如果手機螢幕是一般玻璃材質,那麼損壞比率應該會更高。手機螢幕掉在地上卻沒壞,首先與螢幕玻璃受到的撞擊力道大小有關。手機掉在地上的時候,如果幾乎與地面平行,那麼撞擊力道會分散至整個螢幕表面,手機就可能平安無事。本書第五章提過有關空氣壓力的議題;我們知道:壓力是分布於特定作用面上之力與該面積之比值。作用面越小,所受壓力越大。如果手機某一角先著地,發出超大「蹦」的一聲,那麼螢幕絕對難逃厄運。

基於這個原因,我想離題說一下:我們似乎應該採平躺的姿勢搭電梯。這樣一旦電梯故障往下墜落,我們才能保障自己是以最大面積著地。因為等到真正發生故障的瞬間,地心引力或許也會失常,我們就無法立刻躺下。啊,不過一進電梯就躺下,對其他乘客就真的尷尬啦!算了,這只是天馬行空瞎扯,電梯哪會常常故障呢?

說回手機螢幕。雖然保護套有點笨重,不過為了保護螢幕還是加裝手機保護套比較好。我自己的手機螢幕從未故障過。坐公車去汀娜研究室的時候,我發現手機快沒電了,於是先關機。

手機、咖啡、情緒的化學效應——一日24小時的化學常識
手機、咖啡、情緒的化學效應——一日24小時的化學常識

(本文摘自阮津玫博士著《手機、咖啡、情緒的化學效應一日24小時的化學常識》,商周出版提供)


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