智能手机与化学

作为一种日常信息通讯工具，手机已经成为许多人的生活必需品，而智能手机的出现更是极大地改变了现代人的生活习惯。2014年，Google与IPSOS联合分布中国智能手机使用情况调查报告，报告指出中国城市智能手机普及率已经达到47%，69%的人每天都会使用智能手机访问互联网。数据显示94%的人会在家里使用手机，89%的人在公共交通设施上使用，而有高达86%的人在餐馆和工作场合中使用手机。

近年来，各大厂商都在提高智能手机性能与使用体验方面下足功夫，以扩大它们在市场中的份额，在这背后离不开科学的创新，其中对手机材料的革新扮演着一个重要的角色，一台小小的智能手机当中蕴藏着许多化学知识。

在元素周期表的83种稳定元素（非放射性元素）中，至少有70种使用在智能手机的各种部件中，其中金属元素的含量最多，平均每台智能手机中含有62种不同的金属，在这些金属元素中，钇、钪和镧系元素最为重要，例如在一台iPhone中就含有8种不同的稀土元素。手机屏幕能够显示出鲜艳的红色、蓝色与绿色就离不开稀土元素的作用，稀土元素还用于手机的电路与耳机中。稀土元素还有一个重要的作用，如果没有了镝和钕，手机就不能产生振动功能了。

智能手机一般使用Gorilla玻璃作为屏幕材料，它由Corning玻璃公司在1962年发明，具有极高的机械强度，每平方英寸可以承受高达100,000磅的压力。Gorilla玻璃由硅和铝的氧化物构成，也就是我们现在常见的硅铝酸盐玻璃，但是为了使其具有优异的机械强度，需要对其进行化学性增强处理，即将待处理的玻璃浸入盛有熔融硝酸钾的池子中（300℃），由于钾离子的活性比钠离子强，因此它会将玻璃中的钠离子置换出来。为什么要选择钾离子来替换钠离子呢？这是因为钾离子的个头比钠离子大，能够比钠离子占据更多的空间，也就是说玻璃中可被压缩的空间减少了，使得经过处理之后的玻璃在微观空间结构上变得更加致密，所以就使得玻璃的机械强度得到加强。

图1. Gorilla玻璃结构示意图

智能手机的一大特点是摒弃传统的按键式键盘，而使用更为方便智能的触摸屏，一般触摸屏分为两种类型，第一种是电阻式触摸屏，这种触摸屏可以用任何类型的物体去触膜，即使用一根笔与使用手指触摸的效果是一样的，这类型的触摸屏常见于ATM设备。电阻式触摸屏是由两层极薄的导电材料构成（图2），当按下屏幕时，两个电阻层就会相互靠近，使得两个透明金属涂层接触在一起，形成一个电流回路，并改变接触点上的电流，控制器中的软件通过对这些位点的电流变化进行识别，确认接触点的位置，并作出相应的指令操作。这种屏幕在同时间只能对一个按压位置进行反应，对于两个以上的按压动作，系统是不会产生相应的。

图2. 电阻屏工作示意图

智能手机使用的是另外一种触摸屏，即电容屏，这种触摸屏自身是带电的。虽然玻璃中含有离子，但是这些离子的位置是固定不变的，所以电流无法在玻璃上传导，因此在制造触摸屏前需要在玻璃表面涂上一层透明的导电基质，通常使用氧化铟锡作为导电基质，一般会将这些导电基质设计成十字交叉的格子状图案。这些导电格子就像一个个小的电容器，可以储存少量电荷，当手指触碰屏幕时，一小部分储存的电荷会传递到手指中，此时屏幕上就会产生电压差，控制器就能识别并确定相应的位置，作出对应的操作。

图3. 电容屏工作示意图

随着科技的不断发展，相信智能手机将会在更加广的范围上影响人类的生活，手机已经不再是一种简单的沟通工具，它已成为一种多功能全天候便携式设备。

本文中的图片与内容均来自：

Rohrig B.，Smartphones smart chemistry, ChemMatters, APRIL/MAY 2015.