Nous materials a electrònica
Jordi Boada, Oriol Lanuza i David Onetti
Continguts
Introducció
L'avenç de les noves tecnologies està permetent la producció d'una gran varietat de nous productes fabricats amb materials fins ara poc utilitzats. Això incrementa molt el seu valor i fomenta la seva extracció, convertint aquests materials en recursos estratègics per al progrés.
La majoria de dispositius electrònics contenen una gran diversitat de materials, molts dels quals són rars o de difícil extracció.
Aquest fet comporta nous problemes ambientals (en els processos d'extreacció i un cop ha acabat la seva vida útil), socials i econòmics.
Materials usats en l'electrònica
En aquest apartat estudiarem quins són els materials que s'utilitzen actualment en l'electrònica que en els darrers anys s'ha incrementat el seu ús per a farbricar components i altres dispositius electrònics, i analitzarem el seu impacte sobre el medi natural, social i econòmic.
Naturals
El coltan
El coltan, també conegut com a 'or gris', és un element metàl•lic format per una combinació de columbita i tantalita i es tracta d'un material estratègic.
Aquests elements són imprescindibles per la producció d'un gran nombre de dispositius electrònics, i el seu camp d'aplicacions va des de la indústria militar o la construcció i manteniment de centrals nuclears a la indústria dels videojocs o de la fabricació de mòbils de tercera generació, on es destina prop del 60% de la producció mundial. El tàntal és un material molt dur, amb molta densitat i bona resistència a la calor, la oxidació i als àcids. Majoritàriament s'utilitza per fabricar condensadors elèctrics, que aniran a parar a telèfons mòbils, ordinadors i altres dispositius electrònics.
Una cinquena part, aproximadament, de la producció mundial de tàntal procedeix del Congo, a través del coltan. S'estima que el 80% de les reserves mundials d'aquest material es troben a la República Democràtica del Congo. També hi ha mines de coltan a Brasil, Tailanda i Australia, però en aquests últims països es paga la mà d'obra i s'apliquen condicions de treball dignes, fet que encareix la seva extracció i fa que resulti més car respecte al coltan del Congo.
Aquest fet està provocant conflictes armats al Congo per la disputa d'aquest material i el control de les mines. Les excavacions les realitzen la població civil (en molts casos nens) en condicions pèssimes i mètodes rudimentaris. A més, el coltan que s'extreu al Congo arriba de manera dubtosa al mercat mundial, és a dir, molts cops les guerrilles que controlen el material l'intercanvien per armes i altre material bèl•lic, de manera que utilitzen el coltan per a finançar la guerra.
Les terres rares
Les terres rares són un grup de 17 elements, 15 dels quals provenen del grup dels lantànids i 2 més són elements amb característiques similars, amb unes propietats magnètiques i conductores que els fan ser molt útils, sobretot en el món de l'electrònica, per fabricar dispositius d'última generació.
Que s'anomenin 'terres rares' no significa que siguin escasses. Molts d'aquests materials són més abundants que el plom, per exemple, però alhora, el fet de que siguin abundants no significa que les reserves es trobin repartides equitativament. Aproximadament una tercera part de les terres rares es troben a China, que controla aproximadament el 97% de la producció mundial de terres rares.
Això és degut en part a que les lleis mediambientals a China són molt poc restrictives, i la mà d'obra és molt barata. En la majoria de països no es rentable explotar les seves mines, ja que les concentracions no són suficients per compensar el impacte mediambiental que genera i mantenir unes condicions de treball segures.
El fet que China controli pràcticament tota la producció mundial de terres rares no agrada als països desenvolupats, que cada cop utilitzen més dispositius fabricats amb elles, i crea tensió política i econòmica entre aquests països. Això fa que els països desenvolupats pressionin a China a aprovar lleis mediambientals més estrictes.
Altres metalls
En la indústria de l'electrònica s'utilitzen una gran varietat d'elements, entre ells els metalls que la humanitat ha estat utilitzant des de fa molt de temps, i que ara veu incrementat el seu consum a causa de la producció de nous dispositius electrònics. Alguns exemples són:
- El coure:
- Molt utilitzat per ser un dels millors conductors i per la seva ductilitat i maleabilitat. Actualment ha vist incrementat el seu consum per a la fabricació de cables.
- L'estany:
- L'estany és un bon material conductor, que actualment s'utilitza principalment per a realitzar soldadures de components electrònics.
- La plata:
- La plata és el metall amb millor conductivitat elèctrica, amb una conductivitat tèrmica alta i resistent a l'oxidació en presència d'aire o aigua. S'utilitza sobretot per la fabricació de circuits integrats.
- El plom:
- El plom s'utilitza sobretot en la fabricació de bateries i en el revestiment del cablejat elèctric. És un metall pesat i tòxic per el medi, motiu per el qual s'utilitza cada cop menys.
- L'alumini:
- S'utilitza l'alumini per a la fabricació de dissipadors de calor, donada la seva bona conductivitat tèrmica i baixa densitat.
- El níquel:
- El níquel és un material amb unes propietats conductores molt bones i unes propietats magnètiques que permeten la seva utilització en la fabricació de discs durs d'ordinadors.
- L'or:
- L'or és un dels materials que més s'utilitza en l'electrònica, degut a les seves propietats, tals com una molt alta resistència a la corrosió i conductivitat, ductilitat i capacitat de deformar-se sense trencar-se. S'utilitza principalment en els contactes entre components. Tot-hi ser un element molt car, la seva utilització segueix essent rentable envers d'altres materials.
Artificials
Plàstics
Ammpliament utilitzats avui en dia en els dispositius electronics (gairebé no hi ha cap que no inclogui algun plàstic) prenen com a principal funció la de aillants termics i/o protectors. Aquests protectors solen ser externs i en forma de carcassa, ja sigui per tota la peça o nomes per algun component. Usualment hi ha components interiors que també porten el seu propi protector. Els aïllants acostumen a ser làmines primes del material que eviten el contacte entre dos elements diferents, però també se’n poden trobar d’altres formes.
Elements químics
La majoría només són utilitzats per a la investigació científica, donat que el seu baix periode de semidesintegració, la seva inestabilitat, i els riscos per a la salud de treballar amb aquests elements compliquen molt el seu ús. Aquests elements són:
Tecneci, Tc (43) Prometi, Pm (61)
Neptuni, Np (93) Plutoni, Pu (94)
Americi, Am (95) Curi, Cm (96)
Berkeli, Bk (97) Californi, Cf (98)
Einsteini, Es (99) Fermi, Fm (100)
Mendelevi, Md (101) Nobeli, No (102)
Laurenci, Lr (103) Rutherfordi, Rf (104)
Dubni, Db (105) Seaborgi, Sg (106)
Bohri, Bh (107) Hassi, Hs (108)
Meitneri, Mt (109) Darmstadti, Ds (110)
Unununi, Uuu (111) Ununbi, Uub (112)
Ununtri, Uut (113) Flerovi, Fl (114)
Ununpenti, Uup (115) Livermori, Lv (116)
Ununsepti, Uus (117) Ununocti, Uuo (118)
Tecneci
S’utilitza bastant en la medicina nuclear, concretament en el camp dels diagnostics i proves mèdiques. Casualment, el propi element comporta un gran risc de càncer, motiu pel qual les dòsis sempre han de ser baixes i molt controlades. També se’n fa ús en el camp de l’energía nuclear, especialmente en les bateries nuclears optoelèctriques. Neptuni: Principalment conegut pel seu ús en les armes químiques, degut a la seva gran capacitat per a la fissió nuclear, també té utilitat en el camp de l’investigació científica, on s’empra per a detectar neutrons amb gran quantitat d’energia.
Americi
Aquest element té tot tipus d’aplicacions. Des de l’aplicació en la medicina per als Raigs-X, fins a les armes i coets nuclears. Forma part també de sistemes de seguretat com detectors de fum, on el fum provoca ionitzacio en l’Americi, el fa conductor i tanca un circuit que fa saltar l'alarma.
Curi
Utilitzat en la medicina nuclear com a espectòmetre de Raigs-X.
Californi
Utilitzat com a font inicial de neutrons per a alguns reactors nuclears.
Prometi
Emprat en les innovadores pintures lluminoses, com a font d’energia en bateries nuclears i també en eines de mesura de gruix de materials.
Plutoni
Conegut massivament per el seu ús en les armes nuclears, també se’n fa ús al camp de l’energía nuclear.
Terbi
Probablement un dels elements amb més ussos, s’utilitza molt per al dopatge d'altres materials, aportant sobretot una millor conductivitat. També és present en les lamperes fluorescents i tubs d’imatge, així com a la medicina nuclear, éssent el colorant dels Raigs-X. És molt freqüent trobar-lo en al•leacions utilitzades en sònars, sensors magnètics i similars.
Materials del futur
Actualment, existeixen forces investigacions de nous materials, ja que es necessiten nous materials que satisfacin les noves necessitats i exigències que surten cada dia en diversos àmbits com poden ser l’electrònica i la informàtica.
Algunes d’aquestes investigacions, estan en una fase més avançada que d’altres, però en general destacant aquests quatre nous materials amb un potencial elevadisim.
Grafè
El grafè és potser el nou material amb investigació més avançada. Aquest material es va descobrir l’any 1930, però no ha sigut fins recentment que s’ha mostrat interès en aquest material després de descobrir les seves propietats. L’any 2010, es va atorgar el premi Nobel de física a dos investigadors de la universitat de Manchester després d’una investigació a fons sobre aquest material. És un al•lòtrop del carboni, igual que el diamant o el grafit per exemple. Aquest material té una estructura bidimensional hexagonal.
Propietats
En quant a les propietats d’aquest material, podem destacar: La duresa d’aquest material és una de las propietats més destacades, ja que té una duresa similar a la del diamant, una mica superior i equivalent a 200 cops la duresa del acer. Aquest material també és molt flexible i alhora elàstic. El grafè té una conductivitat elèctrica molt superior al coure, actualment l’element més utilitzat per a circuits elèctrics i cables, però a més a més, el grafè es calenta molt menys, per tant es considerablement millor que el coure. El fet de que sigui lleuger i transparent és força interessant, perquè permet crear dispositius més grans amb menys pes, i aquesta transparència permet per exemple, utilitzar totes les propietats d’aquest material en pantalles. Una propietat molt important del grafè és que reacciona químicament amb altres elements, d’aquesta manera es pot fer reacciona amb altres elements per fusionar propietats.
Avantatges
Al reunir les característiques d’aquest material, podem afirmar que és un material molt polivalent i amb múltiples aplicacions, però destaca el seu futur ús com ha conductor i sobretot, al reunir les característiques de bon conductor, transparent, lleuger, resistent , flexible i que no es calenta, es destaca les seves possibilitats per substituir les pantalles actuals i fer-les més lleugeres, resistents i flexibles. L’altre ús important , pot ser per augmentar la velocitat dels dispositius electrònics, ja que al ser tan bon conductor permet una velocitat molt superior a la dels elements actuals, de fet, IBM ha creat un transistor de 150 GHz de velocitat, i en transistors actuals de silici, el més ràpid posseeix solament 40 GHz de velocitat.
Desavantatges
Aquest material es completament conductor, és a dir, no disposa de part aïllant de manera que es dificulta el seu us en Transistors electrònics, però es creu que gràcies a la propietat de reaccionar químicament amb altres elements, es pugui complir aquesta funcionalitat.
Carbino
El carbino és un material amb una fase d’investigació encara primitiva, i les seves qualitats són mes aviat teòriques, fa dècades que es considerava un material hipotètic fins que fa poc es va demostrar que podia existirà temperatura ambient en una universitat de Texas. Com el grafè al•lòtrop del carboni, de manera que està format per una cadena d’àtoms de carboni
Propietats
En quant a les propietats teòriques d’aquest material, podem destacar que te les mateixes que las del Grafè però encara més dur i resistent, de manera que està considerat el material més dur del món.
Avantatges
Es preveu que serà un material molt important degut a la seva flexibilitat, duresa extrema i propietats similars a las del Grafè, per tant podrà tenir las mateixes aplicacions.
Desavantatges
Aquest material està actualment en una fase de investigació molt primitiva, de manera que no es sap amb certesa quins avantatges i inconvenients es podran trobar. A més a més es dificultós de aconseguir.
Silicè
Com el Grafè, és un material amb estructura bidimensional i hexagonal, però aquest a diferencia del Grafè està format per làmines de Silici. L’any 2013, la universitat tècnica de Munich i la universitat de l’Aix Marseille van consguir aïllar el compost, de manera que es van poder comprovar algunes propietats que eren teòriques.
Propietats
En quant a les propietats d’aquest material, podem destacar com en el cas del Grafè: La duresa d’aquest material és una de las propietats més destacades, però és inferior a la del Grafè Aquest material també és molt flexible i alhora elàstic. El Silicè, com el grafè, té una conductivitat elèctrica molt superior al coure, de manera que és un molt bon candidat per a utilitzar en l’electrònica. Aquest material també és leuger i transparent, fet que fa possible l’ús del Silicè en pantalles .
Avantatges
Com ha avantatge d’aquest material, destaquem que està compost de silici, per tant resulta molt més fàcil utilitzar-lo com ha substitut del Silici en dispositius electrònics que el Grafè, ja que es pot comportar com ha semiconductor. Degut a això, es molt factible el seu ús en Transistors. També es preveu, que serà molt útil per millorar las bateries de Ió-liti actuals gracies a las seves característiques.
Desavantatges
Com ha desavantatges, podem dir que encara no està en una fase d’investigació tant avançada com en el cas del Grafè, per tant , els coneixements en aquest material són més limitats. L’altre desavantatge envers el Grafè i el Carbino, és el fet de ser menys dur i resistent
Nanocel•lulosa
Aquest material ja fa forces dècades que s’investiga, però fins fa res no es va poder obtenir en gran quantitats. Aquest material, es pot trobar a la biomassa terrestre i està format per per una cadena de molècules de cel•lulosa de forma tubular allargada, com diu el seu propi nom, a escala nanomètrica.
Propietats
En quant a les propietats d’aquest material, podem destacar la seva cristal•linitat amb resistència superior a la de l’al•lumini i que suporta tensions superiors. Aquest material, posseeix una relació pes/resistència superar en 8 cops la de l’àcer inoxidable.
Avantatges
Com ha avantatge d’aquest material, destaquem que és molt més ecològic que els anteriors, és a dir, que es pot obtenir d’una manera més natural, s’obté de la cel•lulosa que és un material molt abundant i no malbarataria de gran manera el medi ambient.
- Diverses empreses ja estan investigant en aquest material ecològicament alternatiu al Grafè, com el cas de Pionerr i IBM. En el cas de IBM, ja esta provant la nanocel•lulosa per millorar dispositius informàtics.
Desavantatges
Com ha desavantatges, podem dir que encara no està en una fase d’investigació tant avançada com en el cas del Grafè, per tant , els coneixements en aquest material són més limitats. L’altre desavantatge envers el Grafè i el Carbino, és el fet de ser menys dur i resistent
Conclusions
Com ha conclusió, podem afirmar que cada cop es troben més materials que substituiran a altres de manera que es millori cada cop més, per exemple, els dispositius electrònics . Aquests materials estan dotats de característiques que permeten aquest avenç tecnològic com la gran duresa, resistència, conductivitat i fins i tot flexibilitat. Es preveu una Guerra d’empreses que apostaran per diferents materials, uns encertaran i d’altres potser no.
Notes Mentals/Enllaços d'Interés
http://www.elsf.org/articles/article-188.htm
http://www.cienciapopular.com/ecologia/minerales-estrategicos
http://www.electronicsnews.com.au/news/rare-materials-used-in-electronics-synthesised-fro
http://edition.cnn.com/2012/03/13/business/rare-earths-china-u-s-/