A ciência escolar é freqüentemente ensinada de forma seca e desinteressante. As crianças aprendem a memorizar mecanicamente para passar no exame e não vêem a conexão da ciência com o mundo exterior.
Essas palavras pertencem ao grande físico, que nunca desiste e acredita em milagres, Stephen Hawking. Mas o que importa não são as palavras sobre educação, mas a segunda parte da citação sobre a conexão entre a ciência e o mundo exterior. A ciência nos segue todos os dias. Está em toda parte, se nós vemos ou não. Sentimos sua influência, independentemente de nossa religião, local de residência ou ocupação. Porra, a ciência era antes mesmo do termo ser cunhado. Todo o nosso universo está cheio de processos que são descritos por várias ciências. Na maior parte, ainda é dada preferência à física. Uma ciência capaz de chamar ordem do caos e ordem do caos. E explique por que é assim, e não o contrário. No entanto, gostaria de abordar a ciência, que, como a física, está presente em nossa vida, tendo uma incrível influência em seu curso. Não vejo o ponto de manter a intriga por um longo tempo, porque todo mundo que já faz parte do título deste ensaio entendeu que seria sobre química. Mas não apenas sobre química, como sobre ciência, mas sobre como ela manifesta sua força e beleza no mundo dos computadores.
É claro que, para a maioria de nós, as memórias das aulas de química da escola não são nostalgia, mas um alívio da constatação de que esse pesadelo finalmente acabou. No entanto, não se pode subestimar o significado dessa ciência. Foi a química que nos permitiu criar computadores mais rápidos e poderosos, aumentar o volume de discos rígidos e até mesmo trazer a qualidade da imagem em nossos monitores para algo irreal.
Com o tempo, o mundo da computação está melhorando rapidamente. Um dos aspectos mais visíveis desse processo é o aumento de energia e a redução no tamanho dos dispositivos que usamos. Por exemplo, microchips e, portanto, transistores de silício. E todo esse processo de evolução do computador é constantemente confrontado com as leis inexoráveis da física. O aumento constante no número de transistores em microchips fornece mais potência e mais dor de cabeça aos seus criadores. É aqui que a química vem em socorro.
Química dos transistoresOs transistores funcionam devido ao fato de que os semicondutores de que são feitos (silício, germânio) têm uma propriedade muito incomum e muito útil - eles conduzem melhor a corrente elétrica do que os isoladores (vidro, por exemplo), mas não tão bons quanto os condutores (alumínio, por exemplo) )
Os cientistas podem manipular a condutividade dos semicondutores, aumentando ou diminuindo, adicionando uma pequena quantidade de impurezas (o boro ou o arsênico costuma ser usado para isso). Ao "diluir" o silício com outras substâncias, os cientistas alteram suas propriedades. Em última análise, pode atuar como um isolador ou como um metal. O que afeta diretamente a capacidade dos transistores de desempenhar suas funções.
O silício - o semicondutor usado para fazer transistores - é o material mais comum no mundo no momento. É responsável por 27,7% da massa da crosta terrestre e é o principal componente da areia.
Embora o primeiro transistor, criado no Bell Labs em 1947, tenha sido fabricado com base na Alemanha, existem várias razões pelas quais o Vale do Silício não é chamado Germanieva.
Bell labsO motivo mais comum é a inacessibilidade e o alto custo da Alemanha. Um problema muito mais sério eram as propriedades químicas da forma isolante dessa substância chamada óxido de germânio. Ele se dissolve na água, portanto, no processo de moagem necessário para criar vários transistores em um microchip, simplesmente “desaparece”. Assim, ao derramar um copo de água em seu laptop "alemão", você simplesmente o jogaria fora.
Foi isso que levou os cientistas a usar silício, que, por sua vez, também tem algumas desvantagens. Sobre eles um pouco mais tarde.
Intel 4004Uma pequena digressão na história. Em 1971, a Intel lançou o primeiro microprocessador Intel 4004, que continha 2.300 transistores. Agora, um microprocessador contém várias centenas de milhões de transistores e seu número está aumentando a cada ano.
Esta é uma confirmação direta da lei de Moore (co-fundador da Intel Gordon Moore), que afirma que o número de transistores em um único chip duplicará duas vezes a cada 2 anos. Uma previsão muito ousada, mas incrivelmente precisa. No entanto, agora os microchips estão se tornando cada vez menores. Seu poder neste caso aumenta precisamente devido a um aumento no número de transistores. E enquanto a química está lidando com esse processo "tamanho menor / potência mais". Infelizmente, existe um "Mas" - quando os componentes do microchip diminuem, o espaço em que os fios de conexão dos transistores estão conectados à pastilha de silício também diminui. Grosso modo, reduzindo os transistores e os microchips, os componentes que conectam todos em um devem diminuir. E, no final, sem apresentar como reduzir esses componentes, a potência e o tamanho dos microchips permanecerão no nível atual.
A solução para esse problema para a Intel foi a troca de metal (os microchips se tornam menores e a resistência é maior). Quando um condutor deixar de ser eficaz, comece a usar outro. Na distante década de 1980, foi usado tungstênio, depois titânio no início dos anos 90, depois cobalto e níquel, que agora são usados. Cada um dos novos metais melhorou os microchips, pois o nível de resistência nos pontos de conexão diminuiu.
No entanto, a constante transição de um metal para outro traz muita dor de cabeça para os fabricantes de microchips. Cada vez que surgem novas dificuldades. Após o uso prolongado de tungstênio (cerca de 5 anos, de acordo com a Intel), foi necessário trocar de equipamento para a deposição (armazenamento) de materiais. Também tivemos que mudar do aquecimento de bolachas semicondutoras em fornos especiais para o uso de lâmpadas de descarga de gás, pois isso acompanha uma conexão mais durável do novo material com silício. A principal tarefa agora é desenvolver uma metodologia que permita alterar os materiais necessários sem custos especiais para o fabricante, tanto financeiros quanto de tempo.
Outro grande problema foi a conexão dos transistores e da própria placa. Ou melhor, o desejo de passar do alumínio para o cobre. A conclusão é que o cobre é um condutor melhor que o alumínio, mas seu uso é impossível devido à sua suscetibilidade à corrosão. No entanto, descartar este material é estúpido, é melhor ajudar a resolver o problema de corrosão.
TitaniumE assim, no início dos anos 90, os cientistas chegaram à conclusão de que uma fina camada de titânio sobre cobre pode impedir a corrosão. Este problema foi resolvido, mas havia mais um. Os compostos de alumínio podem ser aplicados ao microprocessador usando métodos litográficos padrão. O que não se pode dizer sobre o cobre. Além disso, o cobre não deve entrar em contato com o silício, devido à ocorrência de certas interações entre materiais que podem danificar os transistores.
Um aspecto importante da redução contínua de microprocessadores não é apenas a combinação de materiais. O desempenho dos portões do transistor depende diretamente da fina camada isolante de dióxido de silício. Uma diminuição nos transistores também levou a uma diminuição nessa camada, cuja espessura agora varia de 3 a 4 átomos.
A desvantagem dessa espessura é o vazamento de corrente. Ou seja, em vez de posições ativadas ou desativadas, ativamos e desativamos as posições com um vazamento. Quanto menores os microprocessadores, mais energia eles precisam para a operação normal.
Assim, ao desligar o transistor, a perda de corrente não pode ser evitada. O microchip Pentium consome cerca de 30-40 watts com perda de 1 watt. Agora, são necessários cerca de 100 watts para a operação normal dos microprocessadores modernos e, como resultado, cerca de metade da corrente é perdida. E esse processo também acompanha forte geração de calor. Ou seja, em laptops você não pode usar chips de 100 watts, o limite para esses dispositivos é de 30 a 40 watts.
Assim, se todos os problemas acima não forem resolvidos, a lei de Moore se tornará história e o processo adicional de evolução dos microchips terá que esperar muito tempo.
DNA em vez de silícioAlguns dos pesquisadores estão pensando em substituir completamente o silício por algo mais avançado. O arseneto de gálio já é usado, o que tem algumas vantagens sobre o silício. Em primeiro lugar, a velocidade desses microprocessadores é muito maior. Em segundo lugar, eles são extremamente sensíveis a várias ondas de rádio, o que as torna ideais para telefones celulares e cartões de conexão sem fio à Internet. No entanto, requisitos de alta potência limitaram o uso de transistores de arseneto de gálio exclusivamente em chips de comunicação.
Também não se esqueça da pesquisa de nanotubos de carbono. O uso de cilindros ocos exigirá significativamente menos energia do que fabricado a partir de silício.
No entanto, se você mudar ligeiramente seu pensamento da ciência para a ficção científica, por que não usar o DNA? Esta opção parece quase irrealista. No entanto, vale a pena dar uma olhada nos possíveis benefícios, pois esse empreendimento parece um bolo, que ainda vale a pena. Ou melhor:
- As cadeias de DNA já codificam informações e os cientistas já podem alterá-las, copiando, excluindo ou movendo certos segmentos da cadeia;
- o armazenamento de dados no DNA aumentará significativamente a velocidade do processamento e reduzirá o consumo de energia (teoricamente);
- também o próprio material (DNA) é muito acessível, barato, como nanotubos, incrivelmente pequeno em tamanho.
Exemplo esquemático do problema do vendedor ambulanteA idéia de usar DNA na tecnologia de computadores não é nova. Em 1994, Leonard Max Adleman, um teórico da ciência da computação da Universidade do Sul da Califórnia, usou o DNA para resolver o problema dos vendedores ambulantes (encontrar o caminho ideal entre várias cidades com a condição de visitá-las apenas uma vez). Levou vários dias, então não há necessidade de esperar por computadores de DNA super-rápidos no futuro próximo.
HDD de QuímicaDiscos rígidos ou HDDs são um dos meios mais comuns de armazenamento e processamento de dados, especialmente em laptops e computadores pessoais. No disco rígido, as informações são registradas em placas rígidas de alumínio ou vidro revestidas com uma camada de material ferromagnético.
O processo de gravação de dados no disco rígido ocorre magnetizando um setor específico do disco rígido. Mais precisamente, a placa rígida gira em alta velocidade e a cabeça de gravação, localizada a uma distância de 10 nm, transmite um campo magnético alternado que altera o vetor de magnetização do domínio, localizado imediatamente abaixo da cabeça. Grosso modo, um setor vazio (domínio) não tem carga e cheio de informações possui um certo vetor magnético (norte-sul), cuja combinação cria uma sequência lógica 0 e 1, devido à qual a própria informação é formada.
Como resultado, temos vários elementos que podem ser aprimorados com o uso de novos elementos químicos: placas rígidas, cabeçote de leitura e gravação. Tentativas de reduzir o tamanho físico das chapas enquanto aumentam o volume de informações armazenadas e processadas são confrontadas com novos problemas que a química pode resolver.
Atualmente, as placas de HDD são feitas de uma liga de cobalto, cromo e platina. Os dois primeiros materiais são necessários para criar magnetismo e ocupam cerca de 50-60% do total da "mistura". A platina impede uma alteração descontrolada do vetor magnético do domínio da placa.
À medida que a espessura da placa diminui, surge um novo problema. Agora as partículas magnéticas são medidas em 10 nanômetros. Sendo tão pequenas, elas começam a vibrar durante o aquecimento. A platina ainda é capaz de compensar esse efeito, mas suas possibilidades não são ilimitadas.
Assim, com uma diminuição no tamanho da placa, a platina não será capaz de impedir uma alteração descontrolada do vetor magnético do domínio. Até agora, esse limite de tamanho não foi atingido, mas os pesquisadores já se propuseram a tarefa muito ambiciosa de reduzi-lo de 10 nanômetros para 5. É possível conseguir isso alterando a temperatura na qual as camadas são formadas ou usando um determinado material sob uma camada magnética. Por exemplo, o uso de níquel permite que você quebre a placa em um número maior de domínios.
Um problema ainda mais sério é que, em discos típicos, as partículas magnéticas não se dividem em regiões idênticas, uma região pode ser maior que a outra. Simplificando, alterar a polaridade da região magnética é complicado pelo fato de não sabermos a posição exata da região devido à distribuição desigual.
A química das cabeças dos discos magnéticos também evoluiu.As cabeças de leitura dos discos rígidos não tocam a superfície das placas durante a operação devido ao intercalar do fluxo de ar que se forma próximo à superfície durante a rotação rápida (geralmente 5400 ou 7200 rpm). A distância entre a cabeça e o disco nos discos modernos é de cerca de 10 nm. Uma distância tão pequena se deve à necessidade de transferir um campo magnético alternado da cabeça para a placa.
Inicialmente, as cabeças de leitura eram feitas de níquel (80%) e ferro (20%). Posteriormente, a proporção foi alterada para 45% / 55%. No entanto, isso não foi suficiente para resolver a tarefa, porque eles começaram a usar uma liga de cobalto e ferro.
Outro problema é o dano físico na placa pela cabeça de leitura / gravação. Como já dissemos, a placa gira muito rapidamente, criando uma vibração, e a cabeça está localizada em uma insistência criticamente pequena. E, às vezes, a cabeça pode atingir a superfície da placa, danificando-a, causando o problema de leitura dos dados.
A solução para esse problema foi o uso de um revestimento de carbono fino, porém duro, semelhante a um diamante, tanto um disco quanto uma cabeça de leitura. Também entre eles havia uma camada de lubrificante com uma espessura de 1 molécula. Assim, se a cabeça bater no disco, suas superfícies deslizarão sobre o lubrificante e não haverá danos.
No entanto, colisões costumam ocorrer e não há como aumentar a espessura da camada de lubrificante. Como torná-lo mais durável? A resposta a esta pergunta foi o éter perfluorado. Esta substância tem uma propriedade única - autocura. Devido à consistência, qualquer dano à própria camada lubrificante é adiado, como se fosse realizado com uma faca na superfície do mel.
CD / DVDMétodos bastante diferentes de química e física são usados na operação de discos ópticos, cuja similaridade com os discos rígidos é limitada pela rotação e pela presença de uma cabeça de leitura. No entanto, sua produção não utiliza elementos magnéticos.
Entre os vários CDs e DVDs, os mais interessantes quimicamente são os proprietários da função de dublagem. Esses discos usam um revestimento especial de transição de fase. Os materiais mais antigos e comuns para criar esta liga são germânio, antimônio e telúrio.
Um revestimento com uma transição de fase tem uma propriedade incrível - seus átomos podem formar aleatoriamente um estado caótico ou um estado ordenado (caótico - cubo de rubik desmontado, ordenado - cubo de rubik dobrado). Átomos caóticos parecem opacos e os ordenados são brilhantes, o que leva a uma analogia com zeros e uns.
A unidade usa um laser com três níveis de energia para ler e gravar dados. Durante a leitura, o laser opera com a menor potência. Ele se concentra em uma camada de transição de fase que pode ser localizada profundamente a partir da superfície do disco. O sensor óptico reconhece de onde átomos o raio salta, de escuro ou radiante.
O processo de gravação é um pouco mais complicado. Em alta potência, o laser gera um aumento de temperatura, certas seções da camada se fundem, os átomos são transferidos para sua posição caótica (fraca). Com uma potência média do laser, as seções da camada são aquecidas, em vez de derretidas, e os átomos se alinham na posição ideal (radiante). Depois que o laser termina a gravação, ele retorna à potência mínima e lê os dados no disco.
Monitores de químicaOs LCDs modernos nos dão a oportunidade de usar monitores mais finos e menos intensivos em energia e com menos danos à visão.
O primeiro monitor CRT, introduzido em 1927 por Philo Farnsworth, foi uma descoberta revolucionária. Mas esse monitor consumia muito energia e apresentava várias outras desvantagens.
Philo FarnsworthO princípio de operação do TRC era o seguinte - pontos de fósforo cobrindo toda a superfície do vidro brilhavam devido à leitura constante deles por um feixe de elétrons. Assim, alguns pontos foram destacados e uma imagem foi formada. No entanto, se toda a matriz de pontos for atualizada várias vezes por segundo, a ilusão de movimento se desenvolverá. Quando os monitores coloridos apareceram, eles foram equipados com pontos de fósforo em três cores - vermelho, verde e azul. Os químicos encontraram muitas ligas que permitem produzir um brilho de uma determinada cor. Misturado adequadamente, o sulfeto de zinco com cobre e alumínio dá uma cor verde e prata com uma cor azul. Para vermelho, európio, oxigênio e ítrio (encontrados nas pedras da lua) são necessários.
No entanto, muitas dessas ligas são extremamente perigosas para o meio ambiente. O sulfeto de zinco, por exemplo, é muito tóxico. E os velhos monitores descartados liberam todas essas substâncias terríveis nas águas subterrâneas.
Entre outras coisas, o feixe de elétrons requer mais energia para funcionar.
Também limita a capacidade de alterar o tamanho do monitor, pois é necessário vidro pesado e grosso para impedir a implosão (uma explosão direcionada não para dentro, mas para dentro). Além disso, entre as atualizações da matriz de pontos, o brilho dos pontos de fósforo diminui, causando estresse visual ao usuário devido à oscilação da imagem.
Os pesquisadores observaram em algumas substâncias uma propriedade incomum - um ponto de ebulição duplo. Em 1889, o físico Otto Lehman observou que esses "cristais aparentemente vivos" estão em um estado entre líquido e cristalino. No entanto, a verdadeira força desses materiais foi revelada apenas muitas décadas depois.Em 1971, James Fergason usou o efeito de campo nemático, no qual cristais líquidos começaram a interagir com o campo elétrico. Então, o primeiro monitor LCD foi criado.Esse tipo de exibição coloca colunas de cristal líquido entre filtros polarizados em 90 graus entre si.A luz branca passa pelo primeiro filtro, depois por uma camada de cristais líquidos e um segundo filtro. Interagindo com o campo elétrico, os cristais líquidos alteram sua estrutura, bloqueando a luz. Para obter uma imagem colorida, são usados filtros vermelho, azul e verde acima de cada pixel.A ausência da necessidade de um feixe de elétrons reduz significativamente o consumo de energia do monitor e remove a limitação em seu tamanho.PostscriptOs ensaios acima sobre química no mundo dos computadores abrem um pouco a porta para entender a importância dessa ciência em um mundo aparentemente físico. Nem uma única descoberta é guiada por apenas uma ciência. Combinando conhecimentos de várias áreas, resultados incríveis podem ser alcançados. Portanto, é extremamente presunçoso dizer que algumas das ciências são mais importantes que outras. Todos eles são importantes e essenciais para uma maior compreensão do mundo que nos cerca e para seu aprimoramento.
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