Chimica degli smartphone: Display e Touchscreen

Gli smartphone sono oggetti quotidiani, ma dal punto di vista chimico rappresentano sistemi straordinariamente complessi. Degli 83 elementi stabili della tavola periodica, almeno 70 sono presenti in un moderno smartphone sotto forma di metalli, ossidi, semiconduttori e materiali funzionali.

Ogni componente è il risultato di scelte precise di chimica dei materiali: composti specifici per il touchscreen, materiali elettrochimici per la batteria, semiconduttori per il microprocessore.

In questo articolo analizziamo le principali parti del dispositivo, mettendo in evidenza le caratteristiche strutturali e chimiche che ne determinano le prestazioni.

Iniziamo dalla componente più visibile e strutturalmente strategica del dispositivo: il display.

Il display: resistenza e origine dei vetri-ceramici

I display dei telefoni sono ingegnerizzati per essere i più resistenti possibile a graffi e urti dovuti a cadute accidentali. Questa caratteristica, in realtà, è nata un po’ per caso.

Si racconta infatti che nel 1952, un chimico della Corning Glass Works stesse scaldando un campione di vetro fino a 600 °C in fornace, senza notare che il termostato dello strumento era rotto e che la temperatura reale aveva raggiunto circa 900 °C. Quando raccolse il vetro con le pinze e lo estrasse dalla fornace, questo gli cadde a terra ma, incredibilmente, non si ruppe, bensì rimbalzò.

Era nato il primo vetro-ceramico sintetico, un materiale che presenta proprietà intermedie tra quelle del vetro e della ceramica.

Differenze strutturali tra vetro e ceramica

Il vetro è un solido amorfo, poiché non presenta una struttura cristallina. Le molecole si trovano quindi disordinate, con una disposizione simile a quella di un liquido. Di conseguenza, il vetro non contiene piani atomici che possano scivolare l’uno sull’altro quando sottoposti a uno sforzo esterno, motivo per cui si rompe facilmente.

I materiali ceramici, invece, tendono ad avere una struttura cristallina e sono spesso caratterizzati da legami ionici molto forti tra cariche positive e negative. La struttura cristallina conferisce una grande solidità, ma non permette la presenza di piani di scorrimento atomico. Per questo motivo i materiali ceramici risultano fragili, molto resistenti alla compressione, ma poco resistenti alla trazione.

Vetro-ceramici: cristallizzazione controllata

La combinazione di vetro e ceramica produce un materiale composito più duro e resistente dei due materiali presi singolarmente.
Un vetro-ceramico è prodotto surriscaldando il vetro, inducendo la cristallizzazione parziale del materiale. In genere, i vetri-ceramici sono cristallini al 50%, arrivando in alcuni casi fino al 95%.

Gorilla Glass: nascita e proprietà

Date le eccellenti proprietà meccaniche dei vetri-ceramici, la Corning Glass Works Company avviò negli anni ’50 una vasta ricerca per rendere il comune vetro trasparente resistente quanto un vetro-ceramico.

La ricerca si concluse nel 1962, con la presentazione del primo vetro rinforzato chimicamente al mondo: il Gorilla Glass. Il nome è dovuto alle straordinarie caratteristiche meccaniche del materiale, in grado di sopportare pressioni fino a 100.000 psi (pounds per square inch).

Composizione chimica del Gorilla Glass

Il Gorilla Glass è composto principalmente da ossido di silicio e ossido di alluminio, rientrando nella categoria degli alluminosilicati. All’interno della struttura sono inoltre presenti ioni sodio (Na⁺).

Il processo chimico di produzione prevede il trattamento del vetro con nitrato di potassio (KNO₃) a circa 300 °C. Durante questo processo, gli ioni sodio vengono sostituiti da ioni potassio (K⁺), che hanno dimensioni maggiori e occupano più spazio nel reticolo vetroso.

Rinforzo chimico e compressione

La sostituzione degli ioni sodio con gli ioni potassio provoca una compressione della struttura. Questa compressione porta all’immagazzinamento di energia potenziale elastica nel vetro, che si comporta come una sorta di molla compressa, aumentando significativamente la resistenza alla trazione.

Touchscreen: introduzione

Chiarito cosa rende il display così particolare, resta una domanda fondamentale: come funziona il touchscreen?
Come è possibile che, semplicemente toccando lo schermo con un dito, si possa controllare il dispositivo?

Esistono due tipologie principali di touchscreen: resistivo e capacitivo.

Touchscreen resistivo

Il touchscreen resistivo è composto da due sottili strati conduttivi posti sotto la superficie. Quando si preme sullo schermo, lo strato superiore si piega e tocca quello inferiore, generando un impulso elettrico che la centralina interpreta come una variazione di corrente nel punto di pressione.

Questo sistema consente l’attivazione di un solo punto alla volta ed è ampiamente utilizzato in ATM e casse automatiche, poiché funziona indipendentemente dal materiale utilizzato per il contatto.

Touchscreen capacitivo

Il touchscreen capacitivo è più avanzato e utilizza un singolo strato conduttivo e trasparente, generalmente costituito da ossido di indio-stagno che viene depositato direttamente sulla superficie del vetro a formare una griglia.

Quando non viene toccato, lo strato conduttivo si comporta da condensatore, immagazzinando piccole cariche elettriche al suo interno. Quando si tocca lo schermo con il dito, una parte della carica viene trasferita dal display al corpo umano, causando una variazione di tensione che viene rilevata dalla centralina, la quale risponde con l'azione richiesta (ad esempio, il tocco sullo schermo per aprire una applicazione).

La pelle umana è infatti un buon conduttore elettrico, grazie ai sali presenti nell’essudato dei polpastrelli.

DI conseguenza, durante il tocco, il corpo diventa parte del circuito elettrico. Questo tipo di touchscreen è estremamente sensibile ed è quello utilizzato in tutti gli smartphone moderni in quanto permette di processare azioni complesse che necessitano di più "tocchi" contemporaneamente.

La tecnologia degli smartphone evolve a una velocità impressionante. Oggi possiamo utilizzare il telefono per monitorare la glicemia, regolare il termostato di casa o persino avviare un’auto a distanza. Solo vent’anni fa sarebbe stato difficile immaginare che avremmo scattato più fotografie con un cellulare che con una fotocamera tradizionale.

Prevedere quale sarà il prossimo sviluppo è complesso. Ciò che è certo, però, è che ogni avanzamento nasce dall’incontro tra chimica dei materiali, elettronica e innovazione tecnologica. Finché questa intersezione continuerà a generare nuove soluzioni, le possibilità resteranno, di fatto, illimitate.