Il rame è un buon conduttore elettrico ed è a buon...

Il rame è un buon conduttore elettrico ed è a buon mercato

Chiamateci scettici, ma scommetto che non sapeva 7,7,8,8-tetracyanoquinodimethane sono contenuti nel vostro PC.Non è altrettanto noto come il silicio, ma le schede madri di oggi non sarebbe così attendibile senza di essa.

Questa è solo la punta di un iceberg – i PC sono costituiti da una serie di materiali oscuri, molti dei quali sono estremamente costosi e difficili da estrarre o estrarre. È probabile che non sarebbe in grado di descrivere le proprietà di neodimio, rutenio o gallio, ma tutti hanno un ruolo vitale da svolgere nel mantenere il vostro PC senza intoppi.

Qui prendiamo un tour di Whistle Stop del componente PC, per componente, effettuando ricerche sulle sostanze stupefacenti che vengono impiegati nella sua fabbricazione. Staremo a vedere qualcosa delle loro proprietà uniche e perché siamo abituati, ma ci sarà anche studiare i materiali stessi per vedere a cosa assomigliano e da dove vengono.

Ci meditare su ciò che succederà quando le forniture degli elementi più rari funzionare a secco, verificare se queste sostanze chimiche rappresentano un rischio per la salute, e rivelare i fatti poco conosciuti e affascinanti su questi più misterioso dei materiali.

Naturalmente, avendo questi fatti a portata di mano, non vi renderà più efficace nel migliorare le prestazioni del PC o la scelta del vostro prossimo aggiornamento, ma sarete fuori ad un inizio di volo quando si è chiesto il prossimo, in un quiz pub, quello che collega tantalio e niobio.

Chip di silicio

Così, chip di silicio – e qui si potrebbero includere il processore, la memoria, GPU e il chip Southbridge – sono fatte di silicio, giusto?

Beh silicio è di vitale importanza, ma senza chip realizzato interamente in silicone avranno la possibilità di lavorare. Per guardare un pezzo di silicio si potrebbe pensare che era un metallo, ma se si dovesse cadere le probabilità sono esso avrebbe mandato in frantumi, che non è quello che vi aspettereste da un metallo. Con proprietà intermedie tra i metalli e non metalli, silicio è parte di un piccolo gruppo di elementi chimici noti come metalloidi o semi-metalli.

Semi-metallico è anche il modo che ci si descrivono le proprietà elettriche del silicio – sarà condurre l’elettricità, ma non molto bene. Tuttavia, il doping di silicio – il termine tecnico per l’aggiunta di una piccola quantità di un altro elemento – la sua conducibilità può essere notevolmente migliorata.

Questa è la chiave per il funzionamento del transistore, la struttura base di tutti i circuiti elettronici. Per farla breve, il doping con boro e arsenico trasforma il silicio in qualcosa chiamato un semiconduttore di tipo p, mentre il drogaggio con fosforo o di gallio crea un semiconduttore di tipo n.

Le ragioni di questo sono troppo complesse da spiegare qui, ma combinando n-type e di tipo p materiali semiconduttori si finisce con un transistore, e collegando abbastanza di loro insieme è possibile creare un processore.

I transistor sono collegati con sottili strisce di rame. Un chip complicato dovrà diversi strati di piste di rame, in modo da strati di materiale isolante deve essere utilizzato per evitare che tra il corto circuito.

L’isolante è il biossido di silicio – lo stesso composto che costituisce pura sabbia bianca. Questo può essere facilmente prodotta mediante ossidazione della superficie del wafer di silicio come i chip vengono fabbricati.

Il mix esotico di sostanze chimiche in un processore non finisce qui. Intel e IBM agli onori della cronaca qualche anno fa, quando hanno iniziato a utilizzare un elemento chiamato afnio per migliorare le prestazioni dei loro chip. Se non hai sentito parlare di questo elemento oscuro prima, allora siete in buona compagnia.

Basti dire, è un metallo, ed i suoi vicini nella tavola periodica sono gli elementi altrettanto rari lutezio, tantalio, e la ruterfordio materiale radioattivo. Se bramate il poco conosciuti i fatti, è il nome di Hafnia, che è il nome latino per la capitale danese, Copenhagen, dove è stato scoperto nel 1923.

Preoccupante, a causa del suo uso nelle barre di controllo dei reattori nucleari, alcuni esperti hanno suggerito che si esaurirà entro 10 anni ai tassi attuali di consumo. Questo è un tempo nel mondo dei semiconduttori, però, e siamo sicuri che in alternativa – forse zirconio – intensificherà fino alla tacca.

Mentre l’apparente scarsità di afnio potrebbe suggerire che sarebbe costoso, c’è un altro elemento presente in molti processori che costa circa 50 volte di più, grammo per grammo.

L’oro è utilizzato solo in quantità molto piccole, ma è usato come la placcatura sui perni o cuscinetti della maggior parte dei processori ad alte prestazioni. La struttura che lo rende un buon materiale per gioielli rende anche un metallo eccellente per placcatura componenti: un elemento abbastanza reattivo, non si ossida per reazione con l’aria.

Ciò non riguarda soltanto il suo aspetto – significa che il buon contatto elettrico tra il processore e la sua presa non diminuirà nel corso del tempo.

Se ti consideri attenta alla sicurezza, potreste aver sollevato le sopracciglia alla menzione di un particolare elemento utilizzato nella produzione di semiconduttori. Centocinquanta anni fa, quando l’industria dello stagno della Cornovaglia mineraria era in pieno svolgimento, tale elemento era un sottoprodotto della produzione di stagno, ed è stato venduto in America come pesticida nella lotta contro un parassita coleottero che devastava il paese coltivazioni di cotone.

L’elemento in questione è arsenico, un costituente minore del stagno cassiterite minerale, e che è stato allontanati per trattamento termico in un calcinatore e condensato in una camera chiamato un labirinto. Tenuto conto del fatto che i ragazzi giovani che sono stati impiegati per rimuovere l’arsenico dal labirinto raramente vissuta al di là dei loro 20 anni, si sarebbe scusato per essere interrogati come sensibile che è quello di mettere in PC.

Sarai contento di sapere che solo piccole porzioni di un chip di silicio sono drogato e, anche allora, le concentrazioni misurate in poche parti per milione sono tutti serve che a fornire tali tutte le proprietà dei semiconduttori importanti. La linea di fondo è che i circuiti integrati contengono non più di tracce di arsenico.

Piatti del disco rigido

Sappiamo tutti che memorizzano i dati dei dischi rigidi magnetici, ma ci sono poche somiglianze tra di loro e il formato DAT vecchio usato nel 1980.Entrambi utilizzano un testa a leggere e scrivere dati su supporti magnetici, ma ci sono le estremità di somiglianza.

Dischi magnetici utilizzare un modulo molto più efficiente di registrazione di quanto sia possibile con un nastro flessibile, ma che l’efficienza ha un prezzo. Quando il nastro magnetico è un semplice, poco costoso striscia di pellicola in plastica impregnata con ossido di ferro (ruggine), o, più recentemente diossido di cromo, il piatto di un disco rigido è realizzato in modo molto più costoso in più fasi che richiede un altissimo livello di precisione, e utilizza alcuni materiali interessanti ed esoterico.

Il punto di partenza è un disco normale, lavorati con tolleranze elevate da un materiale non magnetico. In questo modo le proprietà magnetiche possono essere accuratamente messa a punto con l’aggiunta di sottili strati di altri materiali.

Il disco è fatto tipicamente da vetro o metallo. L’alluminio è una buona scelta visto che è leggero e non magnetici, ma hard disk devono essere robusti e alluminio non è già abbastanza difficile di per sé. Invece, il materiale utilizzato è una lega di alluminio e magnesio, più piccole quantità di altri elementi come silicio, rame e zinco.

Ci sono quindi cinque o più sostanze nel piatto vuoto, anche se nessuno di loro sono esattamente rare o inusuali – i materiali più esoterici vengono utilizzati in seguito.

Il piatto a girare fino a 7200 rpm, e la lettura / scrittura testa si posiziona milionesimi di millimetro sopra di esso, in modo che qualsiasi irregolarità sarebbe catastrofico – la testa potrebbe andare in crash immediatamente.Non è possibile lucidare lega di alluminio per la scorrevolezza necessaria, quindi il vuoto deve essere rivestito da uno strato di una sostanza chiamata NiP, che può assumere lo smalto alto.

Questo materiale è una lega di nickel e fosforo. Una lega è di solito considerato come una miscela di sostanze che condivide le loro proprietà, ma linea di contatto non potrebbero essere più diversi dai suoi elementi costitutivi.

Il fosforo è un elemento non metallico, ed uno molto reattivo a quella. Nella sua forma elementare bianca, che si accende spontaneamente in aria e bruciare ferocemente. E ‘anche altamente tossico e si illumina al buio.Tuttavia, come nichel, NiP ha tutte le proprietà di un metallo ed è relativamente inerte.

Stranamente però, mentre il nickel è magnetico, NiP non lo è. La maggior parte degli altri materiali presenti sul piatto sono responsabili per le sue proprietà magnetiche. Il ferro è il materiale più familiare magnetico, ma quelli che troverete in un hard disk sono molto più interessanti. Ci sono molti metalli magnetici (o, per essere più precisi, ferromagnetico), ma quelli utilizzati in un disco rigido vengono scelti per i modi in cui interagiscono.

Dal momento che una spiegazione più dettagliata ci avrebbe portato nei meandri della fisica, staremo ben chiara del ‘perché’ e concentrarsi esattamente sul ‘che cosa’. Prima c’è qualcosa chiamato il sottostrato soft magnetico, che è composto da una lega di cobalto, nichel e ferro.

Nei dischi più alte prestazioni, il sottostrato soft magnetico è diviso in due da un sottile strato di rutenio dell’elemento.Solo una piccola quantità è necessaria, che è un bene – come l’elemento più abbondante 74 sulla Terra (e ce ne sono solo 90 gli elementi presenti in natura), rutenio è più rara sia in oro e platino.

Contabilità per una parte per miliardo della crosta terrestre, a soli 12 tonnellate vengono prodotte ogni anno, che è solo abbastanza per fare un metro cubo. Il suo nome deriva da Rutenia, la parola latina per 13 ° secolo l’antica terra di Rus, che comprendeva le parti del giorno corrente Russia, Bielorussia, Ucraina, Slovacchia e Polonia.

Lo strato di registrazione vero è dove si trovano i materiali molto costosi anche se, come stiamo ora cercando una lega di cobalto, cromo e platino.Anche se il platino è più abbondante del rutenio, perché ha così molti usi di più per lo più come un catalizzatore nell’industria chimica e marmitte catalitiche delle automobili – è molto più costoso. Attualmente vende per 1.500 dollari per oncia Troy, che funziona come oltre 48 mila dollari al chilo.

Testine del disco rigido

Elementi rari e costosi non sono solo trovato sul piatto, come vedremo quando guardiamo l’altra parte importante di un disco rigido – di lettura / scrittura. La testa è collegata a un gruppo di braccio, che può spostarsi per accedere a una qualsiasi delle tracce concentriche dei dati sul piatto.

Una parte integrante del braccio è una bobina di filo che si muove in un campo magnetico quando una corrente elettrica viene applicata. Tale campo magnetico viene fornito da un magnete molto potente, di cui un costituente principale è neodimio.

Neodimio appare più o meno come qualsiasi altro metallo, ma è la sola ad essere la più magnetico di tutti gli elementi. Nella sua forma grezza che la proprietà non è particolarmente utile, poiché neodimio ha un basso punto di Curie – la temperatura oltre la quale si perde magnetismo – che qualsiasi contenente un magnete al neodimio dovrebbe essere refrigerato.

Qui degli altri metalli entrare miscelando due parti di neodimio con 14 parti di ferro e una parte di boro, una combinazione di forte magnetismo e un alto punto di Curie è raggiunto. E stiamo davvero parlando di forti magneti – un neodimio-ferro-boro magnete può sollevare più di mille volte proprio peso.

Ciò ha dato luogo a problemi di sicurezza – se hai mai provato smantellamento di un vecchio disco rigido, assicurarsi che le dita sono ben fuori del modo se la coppia di magneti al neodimio si trovano disegnato insieme.

Ma non è tutto – anche se al neodimio, ferro e boro sono malleabili, la lega utilizzata nei magneti è fragile, quindi se si permette un paio di magneti al neodimio per scattare insieme da qualsiasi distanza, guardare fuori per schegge di lega.

Per l’ingegnere, la scheda madre potrebbe sembrare il parente povero al processore e il disco rigido, ma mentre la complessità della sua produzione non potrebbe confrontare, le sostanze utilizzate non sono meno intriganti.

Il circuito stampato (PCB) è un foglio di materiale conduttore con piste di rame stampato su entrambi i lati e racchiuso in più strati intermedi. Le tracce effettuare i collegamenti tra i componenti, e il foglio su cui sono stampate essi fornisce resistenza meccanica mentre isolante tra gli strati di connessioni.

Il rame è molto più comune di artisti del calibro di rutenio e neodimio. E ‘stato usato per millenni, è 10.000 volte più abbondante di platino e migliaia di volte più economiche. E ‘uno dei materiali più importanti in un PC, e potrai anche trovare nei vari cavi che collegano i componenti, come il disco rigido e l’unità CD / DVD alla scheda madre.

La proprietà del rame che lo rende così importante per l’industria elettronica è la sua conducibilità elettrica. Anche se non è il materiale più conduttivo, se è stato collocato a riposo a favore di argento – l’unico metallo che è più conduttivo – il costo dell’elettronica sarebbe salire.

Forse la cosa più sbalorditiva di rame è la vastità della sua produzione.Dalla sua scoperta nel IV secolo aC nelle miniere di piccole sull’isola di Cipro (dove il rame prende il nome), minerale di rame viene ora estratto da enormi cave a cielo aperto. Miniera di Bingham Canyon vicino a Salt Lake City nello Utah, attualmente il più grande produttore mondiale di rame, è profondo 1,2 km e 4 km di larghezza, una superficie di 1.900 ettari. La produzione annua di 300.000 tonnellate di rame viene portato in superficie in camion in piedi alto sette metri e pesante più di un jumbo jet.

L’altro elemento di un circuito stampato, il foglio isolante, potrebbe sembrare semplice, ma le apparenze possono ingannare. I PCB usati, in schede madri di oggi sono tenuti a fornire la combinazione ideale di proprietà elettriche, termiche e meccaniche. Essi hanno anche per soddisfare i requisiti di sicurezza in modo che se un componente non riesce e si surriscalda, il consiglio non prende fuoco ed emettono fumi tossici.

Il materiale isolante più comune oggi è FR-4, che comprende fogli di fibra di vetro tessuto legato da ignifugo resina epossidica. Molti produttori utilizzano un materiale simile per semplici riparazioni di carrozzeria, ma la sua funzione in PCB è molto più complessa.

Qui entriamo nel torbido mondo della chimica organica. I due composti che sono resine epossidiche forma chloromethyloxirane (altrimenti noto come epicloridrina), e 4,4 ‘- (propano-2 ,2-diil) difenolo (altrimenti noto come bisfenolo-A). Potremmo dirvi che il primo ha la formula chimica C3H5ClO, e il secondo è C15H16O2, ma questo non è particolarmente utile dal momento che in chimica organica, due sostanze possono condividere la stessa formula chimica, ma differiscono nella loro struttura.

Non stiamo andando a impantanarsi in schemi molecolari, però. Tutto quello che dobbiamo sapere è che quando questi due liquidi si mescolano insieme, una reazione di polimerizzazione avviene che si traduce in una molecola molto più grande, che forma un solido. Ciò in legami volta i fogli in fibra di vetro e riempie i fori nella trama per produrre un duro, resistente, isolante, ritardante la fiamma che un foglio di rame può essere applicato.

Resistenze

Se si dà un’occhiata ad una scheda madre vedrete un sacco di piccoli componenti che assomigliano a piccoli blocchi neri e cilindri metallici. La maggior parte di questi saranno o resistenze o condensatori, che ingegneri elettronici si riferiscono a come componenti passivi.

Resistenze di fare ciò che dice la parola stessa – si oppongono al flusso di una corrente elettrica. Essi differiscono nella loro resistenza (misurata in Ohm, un’unità di quanto essi impediscono il flusso di elettricità) e la loro potenza (quanta energia in grado di dissipare resistendo che la corrente senza bruciare fuori).

Le prime resistenze erano poco più che un cilindro di carbonio, ma quei giorni sono ormai lontani, e anche in questo più fondamentale di tutti i componenti si possono ora trovare un bel mix di elementi.

La maggior parte di un resistore è un blocco di ceramica, tipicamente di ossido di alluminio (allumina), che dà il componente finito un volume sufficiente per essere manipolate e saldato. Questo materiale viene utilizzato in quanto si tratta di un quasi perfetto isolante.

Il percorso elettrico è realizzato depositando una pellicola di ossido di rutenio. A differenza di molti ossidi metallici, questo materiale ha limitato conducibilità elettrica, che è esattamente ciò che serve. Per coronare il tutto, elettrodi metallici realizzati con una lega di platino, palladio e argento sono attaccati a ciascuna estremità.

Palladium, come rutenio, rodio, osmio, iridio e platino stessa, viene indicato come un metallo del gruppo del platino. Questi elementi sono raggruppati nella tavola periodica, ma sono anche trovati insieme geograficamente – in particolare nel complesso Bushveld del Sud Africa – e tutti i comandi un prezzo elevato.

Poiché sono spesso insieme nei minerali stessi, metalli del gruppo del platino devono essere separati prima dell’uso. Questo è difficile a causa delle loro proprietà simili, e necessita di un costoso processo a più stadi chimico, che potete .

Condensatori

Condensatori consentono una corrente alternata di passare, mentre il blocco di una corrente continua. A loro più semplice, sono formate da due lastre di metallo separate da un isolante chiamato dielettrico. Naturalmente, le cose raramente sono così semplici e una scheda madre conterrà un sacco di diversi tipi di condensatori, ognuno adatte a una particolare applicazione.

Quelli con la più bassa capacità (una proprietà misurata in Farad) tendono ad essere condensatori ceramici, e mentre aspetto simile a resistenze, la loro costruzione è diversa. Il dielettrico è fatto di ceramica, che è placcata in argento per formare le due lamiere. Questa struttura è impilati verticalmente per raggiungere la capacità necessaria senza occupare troppo spazio sul PCB.

Se essi sono stati costruiti in questo modo, i condensatori grandi che sono necessari in alimentazione del PC e circuiti audio sarebbe enorme, così vari tipi di condensatori elettrolitici vengono invece utilizzati.

Il tipo di condensatore elettrolitico originale è stato formato mediante laminazione di strati di alluminio, inserita con carta imbevuta in un elettrolita.Tale elettrolita era solitamente acido borico o borato di sodio, con altri materiali aggiunti per impedire che l’evaporazione.

Potrai comunque vedere questo tipo di condensatore su alcune schede madri come piccoli cilindri metallici, ma hanno uno svantaggio – se surriscaldare i elettrolita evapora, provocando il caso di rigonfiamento o di scoppio e gunge a trapelare tutta la scheda madre. Inutile dire che questo non ha un effetto particolarmente benefico sul funzionamento del PC.

Condensatori elettrolitici liquidi sono in fase di esaurimento in favore dei cosiddetti condensatori polimerici, che ci porta a quel 7,7,8,8-tetracyanoquinodimethane, che fornisce una sostituzione per l’elettrolita liquido. Polimeri a base di questo composto organico sono le materie plastiche, ma diversamente dalla maggior parte delle materie plastiche che possono condurre l’elettricità.

Un altro tipo di condensatore importante che può fornire una capacità particolarmente elevato per il suo volume si basa su un elemento che non abbiamo incontrato finora. Non entrerò nei dettagli sulla costruzione interna del condensatore, ma l’elemento che utilizza è tantalio.

Anche se è un metallo, tantalio ha proprietà particolari che lo rendono particolarmente adatto per condensatori di fabbricazione. Ma come afnio, le nostre scorte si stanno esaurendo. Non è che è intrinsecamente rare – in una parte per milione nella crosta terrestre, è mille volte più abbondante rutenio. Il problema è che, per una serie di motivi politici (non ultimo dei quali è che è estratto nella Repubblica democratica del Congo travagliata), gli esperti hanno suggerito che le scorte si esaurirà a volte tra il 2015 e 2105.

Se si conosce il modo per aggirare la tavola periodica si potrebbe semplicemente sapere dove andare se e quando le forniture di tantalio si esauriranno. Tantalio ha un peso atomico di 73, che mette in gruppo di elementi noti come metalli delle terre rare. Immediatamente sopra, è il numero 41 elementi – niobio.

Sebbene non strettamente parlando un metallo raro terra, niobio ha proprietà molto simili a tantalio, ed è molto più abbondante. Essa appare più o meno, e ha una densità simile, punto di fusione e punto di ebollizione di tantalio. La cosa più importante, gli scienziati pensano che potrebbero costituire la base di una nuova forma di condensatore.

Saldare

A differenza dei componenti di grandi e costosi come il processore e la memoria, che vengono inseriti nelle prese sulla scheda madre quando il PC è costruito, i componenti passivi sono saldati in atto dal produttore della scheda madre.

Saldare, il basso punto di fusione lega utilizzata per realizzare un collegamento elettrico e meccanico tra il cavo o perno di un componente e la pista di rame sul PCB, originariamente era di stagno e piombo. Il tipo normalmente utilizzato in elettronica era 63 percento di stagno e piombo 37 per cento, e aveva un punto di fusione inferiore a quello di stagno puro, piombo puro, o qualsiasi altra lega di questi due metalli.

Ancora una volta vediamo che, nonostante la lega è essenzialmente una miscela di due metalli, le sue proprietà non sono sempre intermedie tra quelle dei suoi componenti. Tutto questo è cambiato nel 2006, quando l’Unione europea dei rifiuti di apparecchiature elettriche ed elettroniche (RAEE) e Restriction of Hazardous Substances (RoHS) direttive sono entrate in vigore.

Il piombo è stato vietato in tutti i beni di consumo a causa della sua tossicità, e l’industria elettronica ha dovuto trovare una nuova forma di saldatura senza piombo. Una lega di stagno, argento e rame è più comunemente utilizzato, ed ha un punto di fusione superiore a un tocco vecchio saldatura al piombo. Tuttavia, molte altre formulazioni sono state utilizzate, con zinco o manganese viene aggiunto alla miscela per migliorare altre proprietà.

Un futuro organico?

Mentre il silicio è forse il materiale più importante in un PC medio, abbiamo portato alla luce una vasta gamma di elementi e composti, senza la quale il computing moderno sarebbe impossibile. E ‘stato stimato che oltre il 50 dei 90 elementi presenti in natura sono utilizzati per fare nell’era digitale una realtà.

Molti di questi sono disponibili in quantità limitata e per alcuni non c’è alternativa conosciuta. Data la velocità con cui le risorse insostituibili si stanno esaurendo, dobbiamo chiederci quanto tempo ci si può aspettare business as usual.

C’è un barlume di speranza però. Mentre ogni elemento ha proprietà uniche che possono essere confrontati con nessun altro, chimica organica può fornire un mezzo di progettare molecole con le proprietà desiderate.

Cosa c’è di più, la sintesi di composti organici non si basa su elementi esoterici e rare. Già gli scienziati hanno prodotto la conduzione e semi-polimeri conduttori e circuiti elettronici costruiti dal nulla più di materie plastiche – anche se, ancora, essi non possono eguagliare le prestazioni del silicio.

Dato il vasto numero di possibili composti organici, un PC del futuro non può contenere meno sostanze stupefacenti, ma se la rivoluzione biologica decolla, è probabile che sarà radicalmente diversa dai materiali presenti nei PC di oggi.